Deux étoiles à neutrons entrent en collision

Comment deux étoiles mortes se percutent, forgent de l'or, et furent à la fois entendues et vues depuis la Terre 130 millions d'années plus tard

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Étape par étape

Deux étoiles à neutrons

Chacune est ce qui reste quand le cœur d'une étoile massive s'est effondré lors d'une supernova : plus de masse que le Soleil, écrasée en une boule de la taille d'une ville et faite surtout de neutrons. Leur gravité est si forte que la lumière de leur face cachée se courbe vers nous : elles paraissent environ un quart plus grandes qu'elles ne le sont.

Chacune est née dans sa propre supernova, mais les deux sont restées liées. Depuis, leur orbite rétrécit, et ici il leur reste un peu plus d'une heure. Elles se trouvent dans NGC 4993, une galaxie de la constellation de l'Hydre.

Des ondes dans l'espace

En tournant, ils secouent l'espace lui-même. Des ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière, étirant l'espace dans un sens et le comprimant dans l'autre, deux fois par tour.

Les ondes emportent de l'énergie, prise à l'orbite : les étoiles se rapprochent et tournent plus vite. Les étoiles à neutrons sont bien plus légères que les trous noirs dont la fusion a été entendue en premier, si bien que leurs ondes sont plus faibles et leur spirale bien plus lente.

Ici, les ondes sont dessinées dans le plan de l'orbite, en or là où l'espace est étiré et en bleu là où il est comprimé. À ce stade, elles montent et descendent six fois par seconde, et chacune mesure environ 50 000 km, quatre fois la largeur de la Terre.

De plus en plus vite

Temps accéléré : durant l'heure suivante, les étoiles passent de 1 000 à 400 km d'écart et accélèrent jusqu'à 12 tours par seconde. Leurs ondes sont désormais assez rapides pour que LIGO et Virgo les entendent.

Plus elles sont proches, plus elles vont vite et plus leurs ondes sont fortes : l'orbite rétrécit donc de plus en plus vite. À partir d'ici, il reste 100 secondes aux étoiles, et pendant ce temps elles feront encore près de 2 000 tours.

La fréquence des ondes vaut deux fois le nombre de tours par seconde de l'orbite. À 24 cycles par seconde, les étoiles sont entrées dans le champ d'écoute des deux détecteurs de LIGO, aux États-Unis, et de Virgo, en Italie, qui captent les ondes d'environ dix à quelques milliers de cycles par seconde.

Les 100 dernières secondes

Temps accéléré, puis ralenti : dans leurs 100 dernières secondes, les étoiles passent de 400 km d'écart à presque se toucher, et la fréquence des ondes grimpe de 24 à plus de mille cycles par seconde.

Voilà ce qu'ont entendu LIGO et Virgo : des milliers de cycles pendant environ 100 secondes, de plus en plus aigus et forts, un « chirp » bien plus long que la fraction de seconde qu'avaient donnée les fusions de trous noirs. Transformé en son, il monte comme le chant d'un oiseau.

Ce long chirp a permis de peser les étoiles avec précision. La combinaison de leurs masses qui fixe la vitesse à laquelle la fréquence monte vaut 1,19 masse solaire, à un millième près ; les masses elles-mêmes sont connues moins exactement, environ 1,46 et 1,27 masse solaire si, comme c'est probable, les étoiles tournent lentement sur elles-mêmes.

Déchirée

Ralenti environ 2 000 fois : étirées par leur attraction mutuelle, les étoiles se touchent à 40 % de la vitesse de la lumière. Les marées leur arrachent des bras de matière, projetés jusqu'au quart de la vitesse de la lumière.

La face proche de chaque étoile est plus attirée par l'autre que sa face éloignée, et dans leurs derniers tours les marées les déforment. Au moment du choc, leurs couches externes sont arrachées et projetées en deux bras courbes, comme l'eau d'un arroseur de jardin qui tourne.

Là où elles se rencontrent, le choc comprime et chauffe la matière à des centaines de milliards de degrés, et d'autre matière jaillit, plus vite vers les pôles. Ce qui se passe vraiment ici n'est connu que par des simulations sur superordinateur, et les formes montrées ne les suivent qu'à grands traits.

Trop lourde pour durer

Les deux deviennent une seule étoile d'environ 2,7 masses solaires, qui tourne des centaines de fois par seconde. Trop lourde pour se soutenir longtemps, elle s'effondre en un trou noir entouré d'un disque de débris.

Au début, seules sa rotation rapide et sa chaleur soutiennent l'étoile fusionnée. Les étoiles à neutrons les plus lourdes connues ont à peine plus de deux masses solaires, et la lumière de cette collision suggère que l'étoile fusionnée s'est effondrée en une fraction de seconde, en un trou noir d'environ 15 km de diamètre.

Le gaz resté en orbite forme un disque chaud et épais, que le trou noir avale ou disperse en une seconde environ. Ici, le temps est d'abord ralenti puis accéléré, et le nuage de matière projetée est dessiné transparent pour laisser voir l'étoile et le trou noir.

Un jet de rayons gamma

Le long de son axe jaillit un jet étroit, presque à la vitesse de la lumière. Ses rayons gamma, dessinés ici en violet, ont atteint la Terre 1,7 seconde après les ondes.

Le jet est probablement propulsé par la rotation du trou noir et le champ magnétique du disque. Il a dû se frayer un chemin à travers la matière déjà projetée. Ses rayons gamma, bien trop énergétiques pour être vus par un œil, forment le bref éclair que les astronomes appellent un sursaut gamma court.

Le satellite Fermi de la NASA a capté celui-ci, GRB 170817A, long d'environ deux secondes. Il était anormalement faible parce que le jet ne pointait pas vers nous : des images radio ultérieures ont montré qu'il visait à environ 20 degrés. Arrivé 1,7 seconde après les ondes, après 130 millions d'années de trajet, il a montré que la gravité se propage à la vitesse de la lumière, à une partie sur 10¹⁵ près.

Une kilonova

Temps accéléré : la matière projetée, l'équivalent de quelque 20 000 Terres, brille tandis que les nouveaux éléments lourds qu'elle contient se désintègrent. Cette lueur, une kilonova, a brillé comme des centaines de millions de soleils.

Les atomes tout juste formés sont instables et se désintègrent en quelques heures ou jours, chauffant le nuage de l'intérieur. Elle brille environ mille fois plus qu'une nova, une éruption à la surface d'une naine blanche, d'où son nom de kilonova, donné en 2010. C'était la première jamais observée.

Lors de sa découverte, onze heures après la collision, elle brillait comme environ 270 millions de soleils et faiblissait déjà. Ses premières heures n'ont pas été vues : ici, elles suivent des modèles. Elle était blanc bleuté, à environ 10 000 degrés, et gonflait à près d'un tiers de la vitesse de la lumière.

L'or et le platine

Jours accélérés : elle se refroidit du blanc bleuté au rouge et s'éteint. Sa lumière montre la formation d'éléments plus lourds que le fer : on y a trouvé du strontium, et elle a aussi formé de l'or et du platine.

Dans la première seconde après la collision, la matière projetée était si riche en neutrons que les atomes les absorbaient plus vite qu'ils ne pouvaient se désintégrer, bâtissant des éléments bien plus lourds que le fer. C'est le processus rapide, ou processus r ; on pense qu'environ la moitié des éléments plus lourds que le fer se forment ainsi.

Des atomes lourds appelés lanthanides, formés en même temps que l'or et le platine, bloquent la lumière bleue : à mesure que le nuage s'éclaircit, sa lumière vire au rouge puis à l'infrarouge. Le strontium a été identifié dans sa lumière en 2019. La quantité d'or formée est moins certaine : les estimations vont de quelques fois à quelques centaines de fois la masse de la Terre.

Vue depuis la Terre

Le 17 août 2017 à 12 h 41 UTC, les ondes ont balayé la Terre, et 1,7 seconde plus tard les rayons gamma. Onze heures après, un télescope au Chili a trouvé la nouvelle lumière dans la galaxie NGC 4993.

Les deux détecteurs de LIGO et Virgo ont ensemble circonscrit la source à une zone du ciel d'environ 130 fois l'aire de la Lune, dans la constellation de l'Hydre, à quelque 130 millions d'années-lumière. Des télescopes du monde entier ont fouillé les galaxies de cette zone dès la tombée de la nuit.

Le télescope Swope de Las Campanas, au Chili, l'a trouvée le premier : un nouveau point lumineux près du centre de NGC 4993. En quelques jours, quelque 70 observatoires, sur les sept continents et dans l'espace, l'avaient observée, des rayons gamma aux ondes radio. La galaxie est dessinée ici d'après un modèle simple.

Entendue et vue

C'était la première fois qu'un même événement était à la fois entendu par les ondes gravitationnelles et vu en lumière. Il a montré où se forme une grande partie de l'or de l'univers.

Elle a prouvé que les collisions d'étoiles à neutrons provoquent des sursauts gamma courts et forgent des éléments lourds, et que les ondes gravitationnelles voyagent à la vitesse de la lumière. L'intensité des ondes a donné la distance, et la vitesse à laquelle la galaxie s'éloigne a offert une nouvelle façon de mesurer l'expansion de l'univers.

Quelques jours plus tard sont apparus des rayons X, puis des ondes radio : la rémanence du jet, qui a continué de s'intensifier pendant des mois. En 2019, les détecteurs ont entendu une autre paire d'étoiles à neutrons entrer en collision, mais aucune lumière n'a été trouvée. En 2025, c'était encore la seule collision à la fois entendue et vue.