Analyzing GW231109_235456 and understanding its potential implications for population studies, nuclear physics, and multi-messenger astronomy
Cet article analyse le candidat d'onde gravitationnelle de sous-seuil GW231109_235456 afin de dériver des contraintes sur les distributions de masse des étoiles à neutrons, l'équation d'état et la détectabilité des kilonovae, tout en projetant que les détecteurs de prochaine génération pourraient améliorer significativement les mesures de déformabilité de marée pour des événements similaires.
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Au plus profond du tissu de l'espace et du temps, des objets massifs comme les étoiles à neutrons peuvent entrer en collision, envoyant des ondulations à travers l'univers que nous appelons ondes gravitationnelles. Ces ondes ne sont pas de simples ondulations ; elles constituent une nouvelle façon d'écouter le cosmos, nous permettant d'entendre des événements trop sombres ou trop lointains pour être vus avec les télescopes traditionnels. Lorsque deux étoiles à neutrons s'entrechoquent, elles créent une explosion violente d'énergie et de matière, souvent suivie d'un éclat de lumière brillant connu sous le nom de kilonova. En étudiant le son de la collision et la lumière qui suit, les scientifiques peuvent apprendre la nature de la matière elle-même, plus précisément comment elle se comporte sous la pression écrasante à l'intérieur d'une étoile. Ce domaine d'étude, qui combine la détection de ces ondes invisibles avec l'observation de la lumière et d'autres signaux, est appelé astronomie multi-messagers. Il offre une chance unique de comprendre les lois fondamentales qui régissent l'univers, des plus petites particules aux plus grandes structures.
À la fin de l'année 2023, la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA, un réseau mondial de détecteurs conçus pour écouter ces ondulations cosmiques, a capté un signal faible nommé GW231109. Contrairement aux signaux forts et clairs confirmés par le passé, celui-ci était discret, se situant juste en dessous du seuil où les scientifiques sont habituellement certains d'avoir trouvé un événement réel. C'était un candidat, un murmure potentiel d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires qui aurait pu se produire à environ 165 millions d'années-lumière de distance. Parce que le signal était si faible, il y avait une probabilité significative qu'il ne s'agisse que de bruit provenant des détecteurs eux-mêmes. Cependant, la possibilité qu'il s'agisse d'un véritable événement cosmique était trop intrigante pour être ignorée. Une équipe de chercheurs a décidé de traiter ce signal ténu comme s'il était réel, en utilisant les outils les plus avancés disponibles pour analyser ses propriétés et voir quelle histoire il pourrait raconter sur l'univers.
Les chercheurs ont commencé par faire passer le signal à travers des modèles informatiques sophistiqués qui simulent la manière dont les ondes gravitationnelles sont produites lorsque deux étoiles à neutrons spiralent l'une vers l'autre avant de entrer en collision. Ils ont testé le signal contre différentes hypothèses concernant les masses et les spins des étoiles pour voir quel scénario correspondait le mieux. Leur analyse a suggéré que, si c'était effectivement une fusion réelle, elle impliquait deux étoiles à neutrons avec des masses qui s'insèrent parfaitement dans un schéma que les scientifiques ont proposé pour ces objets : une distribution à double pic où la plupart des étoiles à neutrons sont soit légèrement plus légères, soit légèrement plus lourdes qu'une moyenne spécifique. Cette découverte soutient l'idée que les étoiles à neutrons ne sont pas distribuées de manière aléatoire en masse, mais suivent un schéma spécifique et prévisible. L'équipe a également déterminé que les étoiles tournaient probablement très lentement, ce qui est cohérent avec ce que nous savons de la formation et de l'évolution de ces étoiles.
L'une des questions les plus critiques dans ce domaine est de savoir ce qui arrive aux étoiles après leur collision. Est-ce qu'elles rebondissent pour former une nouvelle étoile plus grande, ou s'effondrent-elles immédiatement en un trou noir ? Sur la base des propriétés du signal, les chercheurs ont trouvé que l'issue la plus probable était un effondrement immédiat. Cela signifie que l'objet fusionné était si lourd qu'il ne pouvait pas se soutenir contre sa propre gravité et est tombé dans un trou noir presque instantanément, en une fraction de seconde. Il existait une faible probabilité qu'une étoile temporaire et instable se soit formée d'abord, mais même dans ce cas, elle n'aurait duré que quelques millisecondes avant de s'effondrer. Cet effondrement rapide a des implications importantes pour ce que nous pourrions observer dans le ciel. Parce que l'étoile s'est effondrée si rapidement, elle n'aurait pas éjecté autant de matière qu'un effondrement plus lent, rendant toute explosion de lumière résultante beaucoup plus faible.
L'équipe a ensuite calculé ce que cette explosion, ou kilonova, aurait représenté pour les télescopes sur Terre. Ils ont découvert qu'en raison de l'éloignement de l'événement, la lumière aurait été nettement plus faible que la célèbre kilonova observée en 2017. Bien que le signal ait pu être trop faible pour que certains petits télescopes puissent le capturer, ils ont conclu que des observatoires puissants comme l'Observatoire Vera C. Rubin et le Télescope Spatial Roman auraient eu la sensibilité nécessaire pour le détecter et suivre sa lueur déclinante sur plusieurs jours. Cela suggère que même les signaux faibles, sous le seuil de détection, peuvent être précieux si nous disposons des outils appropriés pour rechercher leurs contreparties électromagnétiques.
Enfin, les chercheurs se sont tournés vers l'avenir de l'astronomie des ondes gravitationnelles. Ils ont simulé ce qui se passerait si un événement similaire était détecté par la prochaine génération de détecteurs, qui sont prévus pour être beaucoup plus sensibles que les instruments actuels. Leurs simulations ont montré qu'avec ces futurs instruments, les scientifiques pourraient mesurer les propriétés des étoiles en collision avec une précision incroyable. Plus précisément, ils pourraient déterminer la « rigidité » de la matière des étoiles à neutrons avec une précision d'environ dix pour cent. Ce niveau de précision permettrait aux scientifiques de fixer enfin l'équation d'état de la matière nucléaire dense, un mystère de longue date en physique qui décrit comment la matière se comporte sous une pression extrême. Bien que le signal actuel soit trop faible pour fournir ces réponses définitives à lui seul, l'étude démontre que même un événement unique et ténu peut guider notre compréhension de ce qui est possible lorsque la prochaine génération de postes d'écoute cosmiques sera opérationnelle.
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