Des simulations astrophysiques prédisent une nouvelle source d’ondes gravitationnelles détectables provenant d’étoiles en train de s’effondrer

La mort d’une étoile massive en rotation rapide peut ébranler l’univers. Et les ondulations qui en résultent, appelées ondes gravitationnelles, pourraient être ressenties par des instruments sur Terre, selon une nouvelle étude publiée le 22 août dans Lettres du journal astrophysiqueCes nouvelles sources d’ondes gravitationnelles n’attendent qu’à être découvertes, prédisent les scientifiques à l’origine de la recherche.

Les ondes gravitationnelles apparaissent à la suite de la mort violente d’étoiles en rotation rapide dont la masse est de 15 à 20 fois celle du Soleil. Lorsqu’elles manquent de carburant, ces étoiles implosent, puis explosent, ce qui se traduit par un phénomène appelé collapsar. Il en résulte un trou noir entouré d’un grand disque de matière résiduelle qui tourbillonne rapidement dans la gueule du trou noir. La spirale de matière, qui ne dure que quelques minutes, est si importante qu’elle déforme l’espace qui l’entoure, créant des ondes gravitationnelles qui se propagent à travers l’univers.

À l’aide de simulations de pointe, les scientifiques ont déterminé que ces ondes gravitationnelles pouvaient être détectables avec des instruments comme le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), qui a réalisé les premières observations directes d’ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs en 2015. Si elles étaient repérées, les ondes générées par les collapsars aideraient les scientifiques à comprendre le mystérieux fonctionnement interne des collapsars et des trous noirs.

« Actuellement, les seules sources d’ondes gravitationnelles que nous avons détectées proviennent de la fusion de deux objets compacts : des étoiles à neutrons ou des trous noirs », explique Ore Gottlieb, responsable de l’étude et chercheur au Centre d’astrophysique computationnelle (CCA) du Flatiron Institute à New York.

« L’une des questions les plus intéressantes dans ce domaine est la suivante : quelles sont les sources potentielles non fusionnées qui pourraient produire des ondes gravitationnelles que nous pouvons détecter avec les installations actuelles ? Une réponse prometteuse est désormais les collapsars. »

Gottlieb, en collaboration avec Yuri Levin, professeur invité au CCA et professeur à Columbia, et Amir Levinson, professeur à l’Université de Tel Aviv, ont simulé les conditions – notamment les champs magnétiques et les taux de refroidissement – ​​qui se produisent après l’effondrement d’une étoile massive en rotation. Les simulations ont montré que les collapsars peuvent produire des ondes gravitationnelles suffisamment puissantes pour être visibles à environ 50 millions d’années-lumière. Cette distance représente moins d’un dixième de la portée détectable des ondes gravitationnelles plus puissantes provenant de la fusion de trous noirs ou d’étoiles à neutrons, bien qu’elle soit toujours plus forte que tout événement non lié à une fusion simulé jusqu’à présent.

Ces nouvelles découvertes sont surprenantes, explique Gottlieb. Les scientifiques pensaient que l’effondrement chaotique créerait un fouillis d’ondes qu’il serait difficile de distinguer au milieu du bruit de fond de l’univers. Imaginez un orchestre en train de s’échauffer. Lorsque chaque musicien joue ses propres notes, il peut être difficile de distinguer la mélodie provenant d’une seule flûte ou d’un seul tuba.

En revanche, les ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux objets créent des signaux clairs et forts, comme un orchestre jouant ensemble. En effet, lorsque deux objets compacts sont sur le point de fusionner, ils dansent sur une orbite serrée qui crée des ondes gravitationnelles à chaque tour. Ce rythme d’ondes presque identiques amplifie le signal à un niveau détectable.

Les nouvelles simulations ont montré que les disques en rotation autour des collapsars peuvent également émettre des ondes gravitationnelles qui s’amplifient ensemble, un peu comme les objets compacts en orbite lors des fusions.

« Je pensais que le signal serait beaucoup plus confus, car le disque est une distribution continue de gaz avec de la matière tournant sur des orbites différentes », explique Gottlieb. « Nous avons découvert que les ondes gravitationnelles de ces disques sont émises de manière cohérente et qu’elles sont également assez fortes. »

Non seulement le signal prévu des disques d’effondrement est suffisamment puissant pour être détecté par LIGO, mais les calculs de Gottlieb suggèrent que quelques événements pourraient déjà être présents dans les ensembles de données existants. Les détecteurs d’ondes gravitationnelles proposés, tels que le Cosmic Explorer et le télescope Einstein, pourraient en détecter des dizaines par an.

La communauté des ondes gravitationnelles s’intéresse déjà à la recherche de ces événements, mais ce n’est pas une tâche facile. Les nouveaux travaux ont permis de calculer les signatures d’ondes gravitationnelles pour un nombre modeste d’événements potentiels d’effondrement. Les étoiles, cependant, couvrent une large gamme de profils de masse et de rotation, ce qui créerait des différences dans les signaux d’ondes gravitationnelles calculés.

« En principe, nous devrions idéalement simuler 1 million de collapsars pour pouvoir créer un modèle générique, mais malheureusement, ces simulations sont très coûteuses », explique Gottlieb. « Pour l’instant, nous devons donc choisir d’autres stratégies. »

Les scientifiques peuvent examiner les données historiques pour voir si des événements sont similaires à celui simulé par Gottlieb. Cependant, étant donné la diversité des étoiles, chacune avec un signal potentiellement unique, il est probablement peu probable de trouver une correspondance pour l’un des signaux simulés.

Une autre stratégie consiste à utiliser d’autres signaux provenant d’événements d’effondrement proches (tels que des supernovae ou des sursauts gamma émis lors de l’effondrement de l’étoile), puis à rechercher dans les archives de données si des ondes gravitationnelles ont été détectées dans cette zone du ciel à peu près au même moment.

La détection des ondes gravitationnelles générées par les collapsars aiderait les scientifiques à mieux comprendre la structure interne de l’étoile lors de son effondrement et leur permettrait également d’en savoir plus sur les propriétés des trous noirs, deux sujets encore mal compris.

« Ce sont des phénomènes que nous ne pourrions pas détecter autrement », explique Gottlieb. « La seule façon d’étudier ces régions stellaires internes autour du trou noir est d’utiliser les ondes gravitationnelles. »