GW190425 : la fusion d’un système formé de deux astres compacts de masse totale environ 3,4 fois celle du Soleil
Le 25 avril 2019, le réseau de détecteurs d’ondes gravitationnelles comprenant l’instrument européen Advanced Virgo situé en Italie et les deux détecteurs Advanced LIGO construits aux Etats-Unis ont détecté un signal baptisé GW190425. Après GW170817, c’est le second événement dont la source pourrait être une fusion de deux étoiles à neutrons. GW190425 a été enregistré à 10h18 et 5 secondes heure de Paris ; environ 40 minutes plus tard, la collaboration scientifique LIGO et la collaboration Virgo ont envoyé une alerte pour initier les observations de suivi par des télescopes.
La source du système GW190425 se trouve à environ 500 millions d’années-lumière de la Terre. Elle est localisée dans une région du ciel environ 300 fois plus grande que celle obtenue pour le célèbre signal GW170817, dont la découverte a marqué le début de l’astrophysique multi-messagers avec ondes gravitationnelles. Contrairement à GW170817, aucune contrepartie n’a été observée à ce jour pour GW190425 : pas de signal électromagnétique, ni de neutrino ou de rayons cosmiques.
Il y a plusieurs hypothèses pour la source du signal GW190425. La plus probable est la collision de deux étoiles à neutrons mais le système qui a fusionné aurait pu également inclure un, voire deux, trous noirs – bien que des trous noirs assez légers pour correspondre aux masses mesurées pour GW190425 n’aient encore jamais été observés. Néanmoins, sur la seule base des données fournies par les ondes gravitationnelles, ces scénarios « exotiques » ne peuvent pas être écartés. La masse totale du système binaire a été estimée à 3,4 fois celle du Soleil. En supposant que la source de GW190425 soit une fusion de deux étoiles à neutrons, ce système serait très différent de ceux que l’on connaît dans notre galaxie et dont la masse totale varie entre 2,5 et 2,9 fois celle du Soleil. Cela montre que le système initial d’étoiles à neutrons dont GW190425 serait issu pourrait s’être formé différemment.
« Après la surprise causée par les résultats des analyses préliminaires, nous avons finalement obtenu un bon niveau de compréhension pour cet événement », indique Alessandro Nagar, chercheur au laboratoire INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) de Turin en Italie. « Bien qu’ils aient été prédits par des travaux théoriques, des systèmes binaires lourds comme celui dont la fusion aurait pu produire le signal GW190425 peuvent être invisibles aux observations électromagnétiques. »
« Ce que nous n’avons pas observé, c’est l’astre formé par cette fusion. Nos simulations numériques, basées sur la théorie de la relativité générale, prédisent que la probabilité qu’un trou noir se soit formé immédiatement après la collision est très élevée, de l’ordre de 96% », complète Sebastiano Bernuzzi, chercheur à l’université d’Iéna en Allemagne.
GW190425 merger simulation
Cette vidéo montre la simulation de la relativité numérique d'une fusion binaire d'étoiles à neutrons compatible avec la source du signal GW190425, détectée par le réseau mondial de détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO-Virgo le 25 avril 2019. Les deux étoiles à neutrons ont des masses de 1,75 et 1,55 fois la masse solaire, ce qui correspond aux valeurs médianes de l'analyse du signal, et sont initialement à une séparation orbitale de 45 km. La vidéo est composée de deux parties, toutes deux montrant les dernières orbites des étoiles à neutrons, puis leur collision, suivie de l'effondrement rapide du reste dans un trou noir. La première visualisation se concentre sur la dynamique de la matière de l'étoile à neutrons dans la région centrale de champ fort ; les masses volumiques les plus élevées (en bleu) sont au-dessus des densités nucléaires, les surfaces blanches apparaissant plus tard se rapprochent de l'horizon du trou noir. L'encart du bas montre la partie réelle du mode dominant de l'onde gravitationnelle émise au loin. La deuxième partie, un zoom arrière de la même simulation, montre la propagation des ondes gravitationnelles émises loin de la source. La surface codée en couleur montre la courbure (scalaire de Weyl) sur le plan orbital.