En février 2016, des scientifiques travaillant à l'observatoire des ondes gravitationnelles des interféromètres laser (LIGO) ont marqué l'histoire en annonçant la toute première détection d'ondes gravitationnelles. Depuis lors, l'étude des ondes gravitationnelles a considérablement progressé et ouvert de nouvelles possibilités dans l'étude de l'Univers et des lois qui le régissent.
Par exemple, une équipe de l'Université de Frankurt am Main a récemment montré comment les ondes gravitationnelles pouvaient être utilisées pour déterminer comment les étoiles à neutrons massives peuvent se former avant de s'effondrer dans des trous noirs. Cela reste un mystère depuis la découverte des étoiles à neutrons dans les années 1960. Et avec une limite de masse supérieure désormais établie, les scientifiques seront en mesure de mieux comprendre le comportement de la matière dans des conditions extrêmes.
L'étude qui décrit leurs résultats a récemment paru dans la revue scientifique The Astrophysical Journal Letters sous le titre "Utilisation des observations des ondes gravitationnelles et des relations quasi-universelles pour contraindre la masse maximale des étoiles à neutrons". L'étude a été dirigée par Luciano Rezzolla, président de l'astrophysique théorique et directeur de l'Institut de physique théorique de l'Université de Francfort, avec l'aide de ses étudiants, Elias Most et Lukas Wei.
Pour les besoins de leur étude, l'équipe a pris en compte les observations récentes faites de l'onde gravitationnelle connue sous le nom de GW170817. Cet événement, qui a eu lieu le 17 août 2017, était la sixième onde gravitationnelle découverte par l'Observatoire des ondes gravitationnelles des interféromètres laser (LIGO) et l'Observatoire de la Vierge. Contrairement aux événements précédents, celui-ci était unique en ce qu'il semblait provenir de la collision et de l'explosion de deux étoiles à neutrons.
Et tandis que d'autres événements se sont produits à des distances d'environ un milliard d'années-lumière, GW170817 n'a eu lieu qu'à 130 millions d'années-lumière de la Terre, ce qui a permis une détection et des recherches rapides. En outre, sur la base d'une modélisation effectuée plusieurs mois après l'événement (et à l'aide de données obtenues par l'Observatoire de rayons X de Chandra), la collision semblait avoir laissé un trou noir comme résidu.
L'équipe a également adopté une approche de «relations universelles» pour son étude, qui a été développée par des chercheurs de l'Université de Francfort il y a quelques années. Cette approche implique que toutes les étoiles à neutrons ont des propriétés similaires qui peuvent être exprimées en termes de quantités sans dimension. Combinés aux données GW, ils ont conclu que la masse maximale des étoiles à neutrons non tournantes ne pouvait pas dépasser 2,16 masses solaires.
Comme l'a expliqué le professeur Rezzolla dans un communiqué de presse de l'Université de Francfort:
«La beauté de la recherche théorique est qu'elle peut faire des prédictions. Cependant, la théorie a désespérément besoin d'expériences pour réduire certaines de ses incertitudes. Il est donc tout à fait remarquable que l'observation d'une seule fusion d'étoiles à neutrons binaires qui s'est produite à des millions d'années-lumière, combinée aux relations universelles découvertes grâce à nos travaux théoriques, nous ait permis de résoudre une énigme qui a connu tant de spéculations dans le passé. »
Cette étude est un bon exemple de la façon dont la recherche théorique et expérimentale peut coïncider pour produire de meilleurs modèles et prévisions. Quelques jours après la publication de leur étude, des groupes de recherche des États-Unis et du Japon ont confirmé indépendamment les résultats. Tout aussi important, ces équipes de recherche ont confirmé les résultats des études en utilisant différentes approches et techniques.
À l'avenir, l'astronomie des ondes gravitationnelles devrait observer de nombreux autres événements. Et avec des méthodes améliorées et des modèles plus précis à leur disposition, les astronomes sont susceptibles d'en apprendre encore plus sur les forces les plus mystérieuses et les plus puissantes à l'œuvre dans notre Univers.
