Fusion de deux étoiles à neutrons. Pour la première fois, des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons ont été détectées. Qu'est-ce que tout cela veut dire

Immédiatement dans toutes les gammes du spectre, un plus est d'enregistrer les ondes gravitationnelles de cet événement. La photographie prise par le télescope Hubble montre la galaxie NGC 4993 dans laquelle cela s'est produit. La tache jaune au-dessus et à gauche du centre de la galaxie est une éruption cutanée issue de la fusion. Les encarts montrent comment cela a changé du 22 au 28 août.

L'onde gravitationnelle elle-même s'est produite le 17 août de cette année et a donc reçu le nom de GW170817. Il a d'abord été capturé par VIRGO (l'installation s'est connectée avec succès pendant une courte période à la session d'observation scientifique LIGO), puis - une fraction de seconde plus tard - par des détecteurs américains. La rafale observée a duré près de deux minutes ! Cela vaut la peine d'être écouté !

Mais surtout, après 1,7 seconde, les détecteurs gamma des satellites Fermi et INTEGRAL ont enregistré un court sursaut gamma, nommé GRB 170817A. Comme il est rapidement devenu évident qu’il s’agit d’événements liés.

Les détecteurs gravitationnels ne peuvent pas déterminer très précisément le point de l'éclatement dans le ciel, même dans ce cas, lorsque trois détecteurs ont été activés, la zone d'incertitude était d'environ 30 degrés carrés (plus de 100 disques lunaires), mais les détecteurs gamma peuvent déterminer les coordonnées avec beaucoup plus de précision. Par conséquent, il a été immédiatement possible de connecter des observateurs travaillant dans toute la gamme du spectre (de plus, les données des détecteurs de neutrinos ont été analysées, mais ils n'ont rien vu, comme on s'y attendait d'ailleurs). Et cela a conduit à une découverte étonnante : l’éclatement et sa rémanence pouvaient être vus dans les domaines des rayons X, optiques, ultraviolets et infrarouges !

Puisque le signal d'onde gravitationnelle et le sursaut gamma sont arrivés presque simultanément, nous pouvons affirmer avec une grande précision (environ 10 −15) que la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles est égale à la vitesse de la lumière (à noter que le retard est très probablement non pas à cause de la différence de vitesse, mais à la physique de génération des sursauts gamma). De plus, il a été possible de vérifier plusieurs autres prédictions de la théorie de la relativité générale avec une plus grande précision qu'auparavant.

La présence d'un signal d'onde gravitationnelle permet de déterminer directement la distance aux objets en fusion. Et les données de mesure optique permettent d'identifier la galaxie, c'est-à-dire qu'elles permettent de déterminer le décalage vers le rouge. Ensemble, ces mesures indépendantes permettent de déterminer la constante de Hubble. Cependant, jusqu’à présent, ils ne sont pas très précis – 60 à 80 (km/s)/Mpc. Cette précision est pire que celle d’un certain nombre d’autres mesures cosmologiques. Cependant, il est important que dans ce cas, la constante de Hubble soit mesurée par une méthode indépendante complètement différente, et indépendante du modèle (c'est-à-dire qu'il n'est pas nécessaire de faire des hypothèses théoriques supplémentaires pour obtenir le résultat). Par conséquent, nous pouvons espérer qu'à l'avenir, des données similaires sur l'observation de fusions d'étoiles à neutrons à l'aide de détecteurs d'ondes gravitationnelles dans des galaxies avec un redshift connu deviendront une source d'informations cosmologiques importantes.

Donc. À une distance de 130 millions d'années-lumière (40 mégaparsecs), deux étoiles à neutrons ont fusionné dans la galaxie NGC 4993. En conséquence, une explosion d’ondes gravitationnelles s’est produite et une grande quantité d’énergie a été libérée dans différentes plages du spectre électromagnétique.

En plus de l'éruption principale, les astronomes observent depuis un certain temps également ce qu'on appelle les kilonovas (on les appelle parfois aussi macronovas, voir Kilonova). Ce rayonnement est associé à la désintégration des éléments radioactifs synthétisés à la suite de la fusion d'étoiles à neutrons. La synthèse se produit à la suite de ce qu'on appelle le processus r, la lettre « r » vient ici du mot rapide (rapide). Après la fusion, la matière en expansion est pénétrée par un flux de neutrons et de neutrinos. Cela crée des conditions favorables à la transformation des noyaux d'éléments en noyaux plus lourds. Les noyaux capturent des neutrons, qui peuvent ensuite se transformer en protons à l’intérieur du noyau, faisant sauter le noyau d’une cellule du tableau périodique. Vous pouvez donc « sauter » non seulement vers le plomb, mais aussi vers l'uranium et le thorium. Les calculs modernes montrent que la majeure partie des éléments lourds (d'une masse supérieure à 140), par exemple l'or et le platine, sont synthétisés précisément à la suite de la fusion d'étoiles à neutrons, et non lors d'explosions de supernova.

Ainsi, un large complexe de données a été obtenu à partir d'un événement, intéressant pour une grande variété de domaines de la physique et de l'astrophysique :

1. Le lien entre les sursauts gamma courts et les fusions d’étoiles à neutrons a été prouvé. Les nouvelles données permettront de mieux comprendre la physique des sursauts gamma courts.
2. Il a été possible de réaliser un excellent test d'un certain nombre de prédictions de la Relativité Générale (vitesse de propagation des ondes gravitationnelles, invariance de Lorentz, principe d'équivalence).
3. Des données uniques sur la synthèse d'éléments lors de la fusion d'étoiles à neutrons ont été obtenues.
4. Il a été possible d'obtenir une mesure directe de la constante de Hubble

Nous espérons que les observations ultérieures nous aideront à déterminer avec une grande précision les masses et les rayons des étoiles à neutrons (ce qui est important pour comprendre leur structure, c'est-à-dire pertinent pour la physique nucléaire), et nous attendons également un événement où la fusion de deux étoiles à neutrons conduira à la formation observée d’un trou noir. À propos, il est impossible de dire exactement ce qui s'est passé à la suite de cet événement (mais très probablement, un trou noir s'est formé).

En conclusion, notons que les astronomes ont beaucoup de chance. Tout d’abord, le splash est très proche. Deuxièmement, la probabilité qu’un sursaut d’onde gravitationnelle soit accompagné d’un sursaut gamma n’est pas très élevée. Espérons que les astronomes continueront à avoir plus de chance !

Des articles originaux contenant du matériel lié à la découverte peuvent être trouvés sur le site Web du LIGO.

Sergueï Popov

Pour la première fois dans l’histoire de l’humanité, des astronomes ont détecté des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons. L’événement dans la galaxie NGC 4993 a été « détecté » le 17 août par les observatoires gravitationnels LIGO/Virgo. A leur suite, d'autres instruments astronomiques se sont joints aux observations. En conséquence, 70 observatoires ont observé l'événement et, selon les données d'observation, au moins 20 (!) articles scientifiques ont été publiés aujourd'hui.

Des rumeurs selon lesquelles les détecteurs LIGO/Virgo auraient finalement enregistré un nouvel événement et qu'il ne s'agirait pas d'une autre fusion de trous noirs ont commencé à se répandre sur les réseaux sociaux le 18 août. Une déclaration à ce sujet était attendue fin septembre, mais les scientifiques se sont ensuite limités au prochain événement d'onde gravitationnelle impliquant deux trous noirs - il s'est produit à 1,8 milliard d'années-lumière de la Terre, et pour la première fois, non seulement les détecteurs américains ont participé. son observation du 14 août, mais aussi la Vierge européenne, qui a « rejoint » la chasse aux fluctuations spatio-temporelles deux semaines plus tôt.

Nouveau LIGO. Source avec contrepartie optique. Faites exploser vos chaussettes !

J Craig Wheeler (@ast309) 18 août 2017

Après cela, la collaboration a remporté son prix Nobel de physique bien mérité - pour la détection des ondes gravitationnelles et la confirmation de la justesse d'Einstein dans sa prédiction de leur existence - et maintenant elle a fait part au monde de la découverte qu'elle a gardée pour des "bonbons".

Qu'est-il exactement arrivé?

Les étoiles à neutrons sont des objets très, très petits et très denses qui sont généralement créés par des explosions de supernova. Le diamètre typique d'une telle étoile est de 10 à 20 km et sa masse est comparable à la masse du Soleil (dont le diamètre est 100 000 000 fois plus grand), de sorte que la densité de la substance de l'étoile à neutrons est plusieurs fois supérieure à la densité de l'étoile à neutrons. noyau atomique. À l'heure actuelle, nous connaissons plusieurs milliers d'objets de ce type, mais il n'existe qu'une demi-douzaine à deux douzaines de systèmes binaires.

Une kilonova (semblable à une « supernova »), dont l'effet gravitationnel a été enregistré par LIGO/Vierge le 17 août, est située dans la constellation de l'Hydre, à une distance de 130 millions d'années-lumière de la Terre. Elle résulte de la fusion de deux étoiles à neutrons dont la masse varie de 1,1 à 1,6 masse solaire. Une indication de la proximité de cet événement est que, alors que le signal de la fusion des trous noirs binaires était généralement dans la plage de sensibilité des détecteurs LIGO pendant une fraction de seconde, le signal enregistré le 17 août a duré environ 100 secondes.

"Ce n'est pas la première kilonova enregistrée", a déclaré l'astrophysicien Sergueï Popov, chercheur principal à l'Institut astronomique d'État. PC. Sternberg - mais ils pourraient être répertoriés même pas sur les doigts d'une main, mais presque sur les oreilles. Il y en avait littéralement un ou deux.

Presque au même moment, environ deux secondes après les ondes gravitationnelles, le télescope spatial Fermi Gamma-Ray de la NASA et l'INTERnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL ont détecté des sursauts gamma. Dans les jours suivants, les scientifiques ont enregistré des rayonnements électromagnétiques dans d’autres gammes, notamment les rayons X, les ultraviolets, les ondes optiques, infrarouges et radio.

Ayant reçu les coordonnées, plusieurs observatoires ont pu commencer en quelques heures leurs recherches dans la zone du ciel où l'événement aurait eu lieu. Le nouveau point brillant, ressemblant à une nova, a été détecté par des télescopes optiques et environ 70 observatoires ont finalement observé l'événement dans diverses gammes de longueurs d'onde.

« Pour la première fois, contrairement aux fusions « solitaires » de trous noirs, un événement « d’entreprise » a été enregistré non seulement par des détecteurs gravitationnels, mais également par des télescopes optiques et à neutrinos. C'est la première ronde d'observations de ce type autour d'un événement », a déclaré Sergueï Viatchanine, professeur à la Faculté de physique de l'Université d'État de Moscou, qui fait partie d'un groupe de scientifiques russes qui ont participé à l'observation du phénomène sous la direction du professeur. de la Faculté de physique de l'Université d'État de Moscou Valery Mitrofanov.

Au moment de la collision, la majeure partie des deux étoiles à neutrons a fusionné en un seul objet ultra-dense émettant des rayons gamma. Les premières mesures des rayons gamma, combinées à la détection des ondes gravitationnelles, confirment la prédiction de la théorie de la relativité générale d'Einstein, à savoir que les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière.

« Dans tous les cas précédents, la source des ondes gravitationnelles était la fusion de trous noirs. Paradoxalement, les trous noirs sont des objets très simples, entièrement constitués d’un espace courbe et donc entièrement décrits par les lois bien connues de la relativité générale. Dans le même temps, la structure des étoiles à neutrons et, en particulier, l’équation d’état de la matière neutronique restent encore inconnues avec précision. Par conséquent, l'étude des signaux émis par les étoiles à neutrons en fusion nous permettra d'obtenir une énorme quantité de nouvelles informations également sur les propriétés de la matière superdense dans des conditions extrêmes », a déclaré Farit Khalili, professeur à la Faculté de physique de l'Université d'État de Moscou, qui est également fait partie du groupe de Mitrofanov.

Quelle est la signification de cette découverte ?

Premièrement, l’observation des fusions d’étoiles à neutrons est une autre démonstration claire de la puissance des observations astronomiques lancées par les détecteurs LIGO et Virgo.

« C'est la naissance d'une nouvelle science ! Aujourd'hui est un tel jour », a déclaré à Cherdak Vladimir Lipunov, chef du laboratoire de surveillance spatiale de l'Institut d'État de l'aviation de l'Université d'État de Moscou et chef du projet MASTER. - Cela s'appellera l'astronomie gravitationnelle. C’est à ce moment-là que toutes les méthodes millénaires d’astronomie, que des milliers d’astronomes ont utilisées pendant des milliers d’années, auront été développées et deviendront utiles pour les sujets liés aux ondes gravitationnelles. Jusqu'à aujourd'hui, tout cela n'était que de la physique pure, c'est-à-dire même de la fantaisie du point de vue du public, mais maintenant c'est déjà une réalité. Nouvelle réalité."

« Il y a un an et demi, lorsque les ondes gravitationnelles ont été découvertes, une nouvelle façon d'étudier l'Univers, en étudiant la nature de l'Univers, a été découverte. Et cette nouvelle méthode a déjà démontré sa capacité à nous fournir des informations importantes et approfondies sur divers phénomènes de l’Univers en seulement un an et demi. Pendant plusieurs décennies, ils essayaient simplement de détecter les ondes gravitationnelles, puis une fois - il y a un an et demi, elles ont été détectées, ont reçu le prix Nobel, et maintenant un an et demi s'est écoulé, et il a vraiment été démontré que, à l'exception du drapeau que tout le monde a hissé - ouais, Einstein avait raison ! "Cela fonctionne vraiment maintenant, seulement au début de la science de l'astronomie gravitationnelle, cela s'avère si efficace pour étudier divers phénomènes de l'Univers", l'astrophysicien Yuri Kovalev, chef du laboratoire de recherche fondamentale et appliquée sur les objets relativistes de l'Univers au MIPT, chef du laboratoire, a déclaré au correspondant du Grenier de l'Institut de Physique Lebedev, chef du programme scientifique du projet Radioastron.

De plus, lors des observations, une énorme quantité de nouvelles données a été collectée. En particulier, il a été enregistré que lors de la fusion d'étoiles à neutrons, des éléments lourds tels que l'or, le platine et l'uranium se forment. Cela confirme l'une des théories existantes sur l'origine des éléments lourds dans l'Univers. Des modélisations antérieures avaient déjà démontré que les explosions de supernova ne suffisaient pas à elles seules à synthétiser des éléments lourds dans l'Univers. En 1999, un groupe de scientifiques suisses a suggéré que les fusions d'étoiles à neutrons pourraient constituer une autre source d'éléments lourds. Bien que les kilonovae soient beaucoup plus rares que les supernovae, elles peuvent générer la plupart des éléments lourds.

« Imaginez, vous n’avez jamais trouvé d’argent dans la rue, et puis vous l’avez finalement trouvé. Et cela représente mille dollars d'un coup », explique Sergueï Popov. - Premièrement, c'est la confirmation que les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière, confirmation avec une précision de 10 -15. C'est une chose très importante. Deuxièmement, il s'agit d'un certain nombre de confirmations purement techniques d'un certain nombre de dispositions de la théorie de la relativité générale, très importante pour la physique fondamentale en général. Troisièmement - si nous revenons à l'astrophysique - cela confirme que les sursauts gamma courts sont la fusion d'étoiles à neutrons. Quant aux éléments lourds, bien sûr, ce n’est pas que personne n’y croyait auparavant. Mais il n’existait pas un ensemble de données aussi magnifique.

Et cet ensemble de données a permis dès le premier jour aux scientifiques de publier, selon les calculs d'Attic, au moins 20 articles (huit en Science, cinq dans Nature, deux dans Lettres d'examen physique et cinq dans Lettres de journaux astrophysiques). Selon les estimations des journalistes Science, le nombre d'auteurs de l'article décrivant l'événement correspond à peu près à un tiers de tous les astronomes actifs. Avez-vous hâte de voir la suite ? Nous faisons.

Hier, lors d'une conférence de presse à Washington, des scientifiques ont officiellement annoncé l'enregistrement d'un événement astronomique que personne n'avait enregistré auparavant : la fusion de deux étoiles à neutrons. Sur la base des résultats de l'observation, plus de 30 articles scientifiques ont été publiés dans cinq revues, nous ne pouvons donc pas parler de tout en même temps. Voici un résumé et les découvertes les plus importantes.
Les astronomes ont observé la fusion de deux étoiles à neutrons et la naissance d'un nouveau trou noir. Les étoiles à neutrons sont des objets qui apparaissent à la suite d'explosions d'étoiles grandes et massives (plusieurs fois plus lourdes que le Soleil). Leurs tailles sont petites (ils ne mesurent généralement pas plus de 20 kilomètres de diamètre), mais leur densité et leur masse sont énormes. La fusion de deux étoiles à neutrons a créé un trou noir à 130 millions d’années-lumière de la Terre, un objet encore plus massif et dense que l’étoile à neutrons. La fusion des étoiles et la formation d'un trou noir s'est accompagnée de la libération d'une énorme énergie sous forme de rayonnement gravitationnel, gamma et optique. Les trois types de rayonnement ont été enregistrés par des télescopes terrestres et orbitaux. L'onde gravitationnelle a été enregistrée par les observatoires LIGO et VIRGO.
Cette onde gravitationnelle était l’onde énergétique la plus élevée observée jusqu’à présent. Tous les types de rayonnements ont atteint la Terre le 17 août. Premièrement, les interféromètres laser au sol LIGO et Virgo ont enregistré la compression et l'expansion périodiques de l'espace-temps - une onde gravitationnelle qui a fait plusieurs fois le tour du globe. L'événement qui a généré l'onde gravitationnelle a été nommé GRB170817A. Quelques secondes plus tard, le télescope Fermi Gamma-ray de la NASA a détecté des photons de haute énergie dans la gamme des rayons gamma. Et puis quelque chose a commencé : après avoir reçu un avertissement de la collaboration LIGO/Virgo, les astronomes du monde entier ont ajusté leurs télescopes aux coordonnées de la source de rayonnement. Ce jour-là, grands et petits télescopes au sol et orbitaux fonctionnant dans toutes les portées ont observé un point de l'espace. Sur la base des résultats des observations, l'Université de Californie (Berkeley) a réalisé une simulation informatique de la fusion d'étoiles à neutrons. Les deux étoiles étaient apparemment un peu plus massives que le Soleil (mais en même temps beaucoup plus petites en rayon). Ces deux boules d’une densité incroyable tourbillonnaient l’une autour de l’autre, accélérant constamment. Voici comment ça s'est passé : À la suite de la fusion d'étoiles à neutrons, des atomes d'éléments lourds - or, uranium, platine - ont été libérés dans l'espace ; les astronomes pensent que de tels événements sont la principale source de ces éléments dans l'univers. Les télescopes optiques ont d’abord « vu » la lumière bleue visible, puis le rayonnement ultraviolet, qui a cédé la place à la lumière rouge et au rayonnement infrarouge.
Cette séquence correspond aux prédictions théoriques. Selon la théorie, lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision, elles perdent une partie de leur matière : elle est pulvérisée autour du site de collision avec un énorme nuage de neutrons et de protons. Lorsqu'un trou noir commence à se former, un disque d'accrétion se forme autour de lui, dans lequel les particules tournent à des vitesses énormes, si grandes que certaines surmontent la gravité du trou noir et s'envolent. Ce sort attend environ 2% de la matière des étoiles en collision. Cette substance forme autour du trou noir un nuage d'un diamètre de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres et d'une densité approximativement égale à celle du Soleil. Les protons et les neutrons qui composent ce nuage se collent pour former des noyaux atomiques. Commence alors la désintégration de ces noyaux. Les astronomes sur Terre ont observé le rayonnement des noyaux en décomposition pendant plusieurs jours. Au cours des millions d'années qui se sont écoulées depuis l'événement GRB170817A, ce rayonnement a rempli la galaxie entière.

Aujourd'hui, lors d'une conférence de presse à Washington, les scientifiques ont officiellement annoncé l'enregistrement d'un événement astronomique que personne n'avait enregistré auparavant : la fusion de deux étoiles à neutrons. Sur la base des résultats de l'observation, plus de 30 articles scientifiques ont été publiés dans cinq revues, nous ne pouvons donc pas parler de tout en même temps. Voici un résumé et les découvertes les plus importantes.

Les astronomes ont observé la fusion de deux étoiles à neutrons et la naissance d'un nouveau trou noir.

Les étoiles à neutrons sont des objets qui apparaissent à la suite d'explosions d'étoiles grandes et massives (plusieurs fois plus lourdes que le Soleil). Leurs tailles sont petites (ils ne mesurent généralement pas plus de 20 kilomètres de diamètre), mais leur densité et leur masse sont énormes.

La fusion de deux étoiles à neutrons a créé un trou noir à 130 millions d’années-lumière de la Terre, un objet encore plus massif et dense que l’étoile à neutrons. La fusion des étoiles et la formation d'un trou noir s'est accompagnée de la libération d'une énorme énergie sous forme de rayonnement gravitationnel, gamma et optique. Les trois types de rayonnement ont été enregistrés par des télescopes terrestres et orbitaux. L'onde gravitationnelle a été enregistrée par les observatoires LIGO et VIRGO.

Cette onde gravitationnelle était l’onde énergétique la plus élevée observée jusqu’à présent.

Tous les types de rayonnements ont atteint la Terre le 17 août. Premièrement, les interféromètres laser au sol LIGO et Virgo ont enregistré la compression et l'expansion périodiques de l'espace-temps - une onde gravitationnelle qui a fait plusieurs fois le tour du globe. L'événement qui a généré l'onde gravitationnelle a été nommé GRB170817A. Quelques secondes plus tard, le télescope Fermi Gamma-ray de la NASA a détecté des photons de haute énergie dans la gamme des rayons gamma.

Ce jour-là, grands et petits télescopes au sol et orbitaux fonctionnant dans toutes les portées ont observé un point de l'espace.

Sur la base des résultats des observations, l'Université de Californie (Berkeley) a réalisé une simulation informatique de la fusion d'étoiles à neutrons. Les deux étoiles étaient apparemment un peu plus massives que le Soleil (mais en même temps beaucoup plus petites en rayon). Ces deux boules d’une densité incroyable tourbillonnaient l’une autour de l’autre, accélérant constamment. Voici comment ça s'est passé :

À la suite de la fusion d'étoiles à neutrons, des atomes d'éléments lourds - or, uranium, platine - ont été libérés dans l'espace ; les astronomes pensent que de tels événements sont la principale source de ces éléments dans l'univers. Les télescopes optiques ont d’abord « vu » la lumière bleue visible, puis le rayonnement ultraviolet, qui a cédé la place à la lumière rouge et au rayonnement infrarouge.

Cette séquence correspond aux prédictions théoriques. Selon cette théorie, lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision, elles perdent une partie de leur matière : celle-ci est pulvérisée autour du site de collision avec un énorme nuage de neutrons et de protons. Lorsqu'un trou noir commence à se former, un disque d'accrétion se forme autour de lui, dans lequel les particules tournent à des vitesses énormes, si grandes que certaines surmontent la gravité du trou noir et s'envolent.

Ce sort attend environ 2% de la matière des étoiles en collision. Cette substance forme autour du trou noir un nuage d'un diamètre de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres et d'une densité approximativement égale à celle du Soleil. Les protons et les neutrons qui composent ce nuage se collent pour former des noyaux atomiques. Commence alors la désintégration de ces noyaux. Les astronomes sur Terre ont observé le rayonnement des noyaux en décomposition pendant plusieurs jours. Au cours des millions d'années qui se sont écoulées depuis l'événement GRB170817A, ce rayonnement a rempli la galaxie entière.