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A l’écoute des murmures de l’Univers : ma belle aventure autour d’une découverte « astronomique »

Vue d’artiste des contreparties électromagnétiques des ondes gravitationnelles détectées le 17 août 2017. Au centre, le moteur central formé à l’issus de la coalescence d’étoiles à neutrons, les deux jets orange représentent le sursaut gamma, le bulbe bleu ciel l’émission isotrope de la kilonova et sa propagation. NASA/CI Lab

A l’écoute des murmures de l’Univers : ma belle aventure autour d’une découverte « astronomique »

Nous vous proposons cet article en partenariat avec l’émission de vulgarisation scientifique quotidienne « La Tête au carré », présentée et produite par Mathieu Vidard sur France Inter. L’auteure de ce texte évoquera ses recherches dans l’émission du 24 novembre 2017 en compagnie d’Aline Richard, éditrice science et technologie pour The Conversation France.


Une fabuleuse découverte ! Le 17 août dernier, la collaboration LIGO-Virgo détectait des signaux venus du plus profond du cosmos de la fusion (ou coalescence) de deux étoiles à neutrons, situées à 130 millions d’années-lumière de la Terre. Un nouveau domaine scientifique – l’astronomie multi-messagers – gagnait ainsi ses lettres de noblesse. Cette branche de l’astronomie se focalise sur des phénomènes brefs et cataclysmiques se produisant au sein de notre Univers, tels la fusion d’objets compacts (trous noirs et/ou étoiles à neutrons) ou l’effondrement d’étoiles très massives. Ces événements peuvent émettre de la lumière dans toutes les longueurs d’onde, nous fournissant de précieuses informations sur les processus en jeu, ainsi que la localisation, la galaxie et l’environnement associés. De nouveaux « messagers », comme les ondes gravitationnelles, nous apportent des informations supplémentaires en nous éclairant sur la nature des astres qui fusionnent, les propriétés du système (masse, orientation…) et leur distance.

L’Univers, notre laboratoire

Pour l’astrophysicienne que je suis, l’Univers est un laboratoire : nous, scientifiques, récoltons ce que le ciel veut bien nous donner. Il faut savoir se tenir prêt et ne pas rater la moindre occasion d’acquérir de l’information. Grâce, notamment, à des outils de pointe comme les instruments américains (LIGO) et européen (Virgo), et à des processus d’analyse des données intensifiés. Il s’est ainsi déroulé 20 ans – 20 ans de travail et de persévérance – entre les premières étapes de construction puis de mise en route et la première détection d’ondes gravitationnelles provenant d’une coalescence de deux trous noirs en 2015. Les équipes françaises se sont largement investies.

Dans mon laboratoire d’Orsay, le Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL), nous sommes ainsi impliqués dans la mise au point de l’interféromètre, la caractérisation du bruit de mesure et la mise au point des protocoles d’analyse des données expérimentales obtenues, avec en particulier la recherche de signaux transitoires longs ou émis par des cordes cosmiques.

En novembre 2016, la deuxième campagne d’observation des ondes gravitationnelles par les deux interféromètres LIGO a démarré. En parallèle, et après de longs mois de travail jalonnés par de nombreuses difficultés techniques (prévues ou non), l’interféromètre européen Virgo rejoignit la campagne d’observation au début du mois d’août 2017, apportant une précision et une sensibilité accrues : trois interféromètres pour une quête étoilée.

Carte du monde résumant la campagne d’observation du suivi des ondes gravitationnelles détectées le 17 août 2017 menées par les groupes d’astronomes partenaires de la collaboration LIGO/Virgo. LIGO/Virgo, CC BY

Vous pouvez donc imaginer que, pour la plupart d’entre nous, la simple notion de « vacances » fut, ce fameux été, assez particulière ! Même si certains avaient dû se résoudre au départ, tirés par la manche par leurs familles, ils ne s’éloignaient jamais longtemps de leur ordinateur ou de tout autre moyen de communication. Le mois d’août fut en effet un véritable florilège d’alertes d’ondes gravitationnelles : jours et nuits, nos téléphones sonnaient pour des nouvelles. Aussitôt, sous l’œil amusé, et résigné, de nos proches, nous interrompions séance tenante nos activités, quasi en transe ! C’est ainsi que l’Univers s’invitait en plein jeux d’enfants sur une plage niçoise, en randonnée dans la forêt bourguignonne, dans les rayons d’un supermarché du Pays Basque, sur l’autoroute charentaise en visite chez la grand-mère ou bien dans la chaleur de nos locaux universitaires. L’appel des ondes gravitationnelles transportait les membres de notre collaboration dans une nervosité surréaliste… mais la concentration nous reprenait rapidement, lors de chaque visioconférence suivant les alertes.

Une série de vérifications ont alors été effectuées pour qualifier ces alertes : quel algorithme a « déclenché », c’est-à-dire à observer une possible onde gravitationnelle ? Quels « interféromètres » (les détecteurs) ont détecté le signal ? Est-il astrophysique ou une simple source de bruit ?

Un 17 août extraordinaire

L’événement du 17 août fut renversant : une dizaine de minutes après l’alerte, nos premières estimations indiquaient une coalescence d’objets de faibles masses. Mais, au même moment, nous avions surtout suspecté la détection d’un sursaut gamma par un satellite spatial, phénomène attendu comme contrepartie lumineuse de la fusion de deux astres formés de matière très dense à laquelle nous venions peut-être – probablement – d’assister. Il était alors 14h en France mais à peine 6h du matin pour nos collègues américains, extirpés en urgence de leurs lits douillets.

Durant la visioconférence organisée immédiatement après, tout ne s’est pas déroulé comme prévu : un seul des trois interféromètres avait détecté le signal de façon automatique, rendant ainsi la localisation de l’événement sur la voûte céleste impossible. Il a fallu presque cinq heures pour analyser manuellement le reste des données et envoyer les informations – désormais complètes – aux observatoires partenaires. Le résultat fut brillant : un signal saisissant sur les interféromètres LIGO, une précision de localisation inégalée grâce à l’apport de Virgo, pour un événement à une distance « très proche » (à l’échelle de l’Univers) de nous. Ce cocktail de bonnes nouvelles entretenait une excitation contagieuse chez les astronomes partenaires, la traque d’un signal électromagnétique étant désormais de l’ordre du possible.

Ainsi, à condition d’être muni d’un télescope situé dans l’hémisphère sud, il était possible de diriger ses observations vers des galaxies extrêmement intéressantes, pouvant être le siège de l’événement observé en ondes gravitationnelles. Cela tombait bien : la nuit gagnait déjà le ciel chilien. Près de 10 heures après la détection initiale, un signal transitoire dans la galaxie NGC4993 fut détecté par un télescope appelé SWOPE. Ce signal très brillant ne correspondait pas à des astres connus. La comparaison avec des observations du télescope DLT40 effectuées vingt jours auparavant confirmait le caractère nouveau de la source.

Une nouvelle « kilonova »

Dans la foulée, des observatoires spatiaux en orbite braquèrent leurs télescopes dans cette direction. Le télescope UVOT confirma que la luminosité de ce point diminuait rapidement en ultraviolet. Dans les jours qui suivirent, une armée de télescopes au sol – aux quatre coins du Globe – pointa en direction de la source, pour faire le plein de données en photométrie et en spectroscopie. Leurs résultats furent transmis au fur et à mesure aux 70 équipes impliquées. Il n’y a avait plus de doute, NGC4993 était bien la galaxie hôte de l’événement et on avait observé un nouveau phénomène dénommé « kilonova », potentiellement capable d’expliquer l’origine de certains éléments chimiques lourds comme l’or.

Les observations dans ces multiples longueurs d’onde durèrent des semaines. La persévérance des équipes mit aussi en lumière deux émissions supplémentaires, détectées respectivement 9 et 16 jours plus tard, en lien avec le sursaut gamma. Il s’ensuivit alors un mois et demi de travail acharné d’analyse et de validation des données. L’organisation des publications conjointes physique/astronomie fut un véritable casse-tête, parfois émaillé de rivalités au sein de la communauté des astronomes.

Mais, en dépit de toutes ces difficultés, les observations conjointes des ondes gravitationnelles et de leur contrepartie électromagnétique étaient d’une telle beauté – donnant pour la première fois une représentation globale d’un phénomène violent – que le nombre de publications scientifiques simultanées fut sans précédent dans la communauté ! Toutes parurent de concert à l’occasion des conférences de presse organisées de par le monde le 16 octobre, au cours desquelles astronomes et physiciens célébrèrent ensemble leurs observations.

Cette grande découverte est une ode à la connaissance qui a lié, dans une aventure scientifique hors norme, des hommes et des femmes de toutes nationalités, âges et cultures aux compétences multiples ; opérateurs, techniciens, physiciens, ingénieurs. Désormais, nous avons un an pour préparer interféromètres et télescopes en vue de la prochaine campagne d’observation des ondes gravitationnelles. Rendez-vous pour une nouvelle moisson de découvertes passionnantes !

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