Fusion d'étoiles à neutrons du 17 août 2017

Le signal GW170817 détecté par les deux instruments de LIGO et par Virgo.

GW170817 est le nom du signal attribué à une observation directe d’ondes gravitationnelles annoncée le 16 octobre 2017 par les collaborations LIGO et Virgo. La détection du signal a été effectuée le 17 août 2017 à 12 h 41 UTC sur les trois sites, et a duré près de 100 s. L'analyse du signal indique la fusion de deux astres de 1,1 à 1,6 masse solaire (des masses typiques d'étoiles à neutrons)[3] - [4].

Un sursaut gamma (GRB 170817A) associé à l'onde gravitationnelle a été détecté environ 1,74 ± 0,05 seconde après le début du signal d'ondes gravitationnelles[4] issu de la coalescence des deux astres par le Fermi Gamma-ray Space Telescope, avec l'instrument GBM, et l'International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), avec SPI-ACS. Le signal correspond à la première observation de la coalescence de deux étoiles à neutronset_al.''_2017_1-1">[1].

L'observation détaillée des ondes radio rémanentes — à l'aide des radiotélescopes VLA et VLBA — a permis à une équipe d'astrophysiciens du Caltech de confirmer que le phénomène à l'origine de l'ensemble des signaux correspondait au scénario d'une fusion d'étoiles à neutrons[5].

La kilonova issue de l'évènement, observée par Hubble.

AT 2017gfo est un évènement astronomique transitoire. Il a tout d'abord été détecté par le Swope Supernova Survey (en) (SSS), environ 10,9 heures après le signal d'ondes gravitationnelleset_al.''_2017_6-0">[6], qui l'a répertorié sous la désignation SSS 17a avant qu'il ne reçoive sa désignation officielle de l'Union astronomique internationale, AT 2017gfo[7]. L'évènement a aussi été observé par le relevé de supernovas Distance Less Than 40 Megaparsecs (DLT40) et répertorié sous la désignation DLT17cket_al.''_2017_8-0">[8]. Étant donné sa rareté et sa proximité spatio-temporelle avec GW170817, AT 2017gfo est très probablement issu de la même fusion d'étoiles à neutrons (la probabilité que les deux ne soient pas liés est estimée inférieure à 10^-9)et_al.''_2017_9-0">[9].

Au moment de sa découverte, l'évènement transitoire possède une magnitude absolue de −15,8 ± 0,1, passant probablement par un pic entre 11 et 35 heures après observation du signal d'ondes gravitationnelles puis diminuant rapidement (près d'une magnitude de moins 35 heures après la première observation)et_al.''_2017_8-1">[8]. Son spectre est également singulier, avec une évolution rapide vers le rouge et peu de motifs discernables relativement aux autres évènements astronomiques transitoires observés jusqu'alorset_al.''_2017_9-1">[9]. Ainsi, au moment de sa découverte, AT 2017gfo est la supernova à l'évolution la plus rapide connueet_al.''_2017_8-2">[8].

Étant donné une masse estimée à 2,74 masses solaires pour l'objet résultant de la fusion, sa nature est indéterminée. Si c'est une étoile à neutrons, il s'agit de la plus massive connue ; à l'inverse, si c'est un trou noir, il s'agit du moins massif connu[10]. Des observations du télescope spatial Chandra réalisées entre août 2017 et janvier 2018 révèlent que le flux de rayons X provenant de la source serait faible pour une étoile à neutrons, tendant à montrer qu'il s'agirait d'un trou noir[11]. Des observations effectuées conjointement par 32 radiotélescopes et combinées par interférométrie ont pu montrer que la fusion a été suivie d'un jet de matière relativiste et étroit[12]; de tels jets n'ont jusqu'à présent été observés qu'aux abords de trous noirs.

Les spectres ultraviolet, visible et proche infrarouge de la contrepartie électromagnétique de l'événement montrent qu'un minimum d'environ 0,5 ± 0,2 masse solaire d'éléments a été produit par le processus r, semblant indiquer qu'une part significative des éléments lourds est produite par fusion d'étoiles à neutronset_al.''_2017_13-0">[13] - [14]. L'événement du 17 août 2017 est ainsi la première observation directe que les fusions d'étoiles à neutrons participent activement à la nucléosynthèse[15]. Par ailleurs, la détection de lanthanides dans le spectre de la contrepartie électromagnétique rejette l'hypothèse de la fusion d'un système binaire d'étoiles étranges[14].

Cet événement étant le premier de sa catégorie à être observé, le taux d'apparition d'événements semblables est difficile à estimer. Cependant, une limite supérieure au taux d'apparition d'événements transitoires similaires à AT 2017gfo a été déterminée à 1,6 × 10⁵ Gpc⁻³ a⁻¹ et_al.''_2017_9-2">[9].

La mesure de la vitesse des ondes gravitationnelles exclut de nombreuses théories de gravitation modifiée comme explication de l’accélération cosmique[16] - [17]. GW170817 et GRB 170817A permettent en effet de restreindre le rapport ${\displaystyle \sigma ={\frac {c-v}{c}}}$ avec ${\displaystyle v}$ et ${\displaystyle c}$ respectivement les vitesses des ondes gravitationnelles et de la lumière dans le vide entre environ -4,3 × 10⁻¹⁶ et 10⁻¹¹ en considérant la vitesse des ondes gravitationnelles constante[14].