Le 11 février 2016, des scientifiques de l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) ont annoncé la première détection des ondes gravitationnelles. Cette évolution, qui a confirmé une prédiction faite par la théorie de la relativité générale d'Einstein il y a un siècle, a ouvert de nouvelles voies de recherche pour les cosmologistes et les astrophysiciens. Depuis lors, davantage de détections ont été effectuées, qui seraient toutes attribuables à la fusion de trous noirs.
Cependant, selon une équipe d'astronomes de Glasgow et de l'Arizona, les astronomes n'ont pas besoin de se limiter à détecter les ondes causées par des fusions gravitationnelles massives. Selon une étude qu'ils ont récemment réalisée, le réseau de détecteurs d'ondes gravitationnelles Advanced LIGO, GEO 600 et Virgo pourrait également détecter les ondes gravitationnelles créées par la supernova. Ce faisant, les astronomes pourront pour la première fois voir à l'intérieur du cœur des étoiles qui s'effondrent.
L'étude, intitulée «Inférer le mécanisme d'explosion de la supernova à effondrement central avec des simulations d'ondes gravitationnelles tridimensionnelles», a récemment été publiée en ligne. Dirigée par Jade Powell, qui a récemment terminé son doctorat à l'Institute for Gravitational Research de l'Université de Glasgow, l'équipe soutient que les expériences actuelles sur les ondes gravitationnelles devraient être capables de détecter les ondes créées par Core Collapse Supernovae (CSNe).
Autrement connus sous le nom de supernovae de type II, les CCSNe sont ce qui se produit lorsqu'une étoile massive atteint la fin de sa durée de vie et subit un effondrement rapide. Cela déclenche une explosion massive qui souffle sur les couches externes de l'étoile, laissant derrière elle une étoile à neutrons restante qui pourrait éventuellement devenir un trou noir. Pour qu'une étoile subisse un tel effondrement, elle doit être au moins 8 fois (mais pas plus de 40 à 50 fois) la masse du Soleil.
Lorsque ces types de supernovae ont lieu, on pense que les neutrinos produits dans le noyau transfèrent l'énergie gravitationnelle libérée par l'effondrement du noyau vers les régions extérieures plus froides de l'étoile. Le Dr Powell et ses collègues croient que cette énergie gravitationnelle pourrait être détectée à l'aide d'instruments actuels et futurs. Comme ils l'expliquent dans leur étude:
«Bien qu'aucun CCSNe n'ait été actuellement détecté par les détecteurs d'ondes gravitationnelles, des études antérieures indiquent qu'un réseau de détecteurs avancé peut être sensible à ces sources vers le Grand Nuage de Magellan (LMC). Un CCSN serait une source multi-messager idéale pour aLIGO et AdV, car des neutrinos et des équivalents électromagnétiques du signal seraient attendus. Les ondes gravitationnelles sont émises du plus profond du cœur du CCSNe, ce qui peut permettre de mesurer des paramètres astrophysiques, tels que l'équation d'état (EOS), à partir de la reconstruction du signal des ondes gravitationnelles. »
Le Dr Powell et elle décrivent également une procédure dans leur étude qui pourrait être mise en œuvre en utilisant le modèle Supernova Evidence Extractor (SMEE). L'équipe a ensuite effectué des simulations à l'aide des derniers modèles tridimensionnels de supernovae d'effondrement de l'onde gravitationnelle pour déterminer si le bruit de fond pouvait être éliminé et une détection appropriée des signaux CCSNe effectuée.
Comme le Dr Powell l'a expliqué à Space Magazine par e-mail:
«Le Supernova Model Evidence Extractor (SMEE) est un algorithme que nous utilisons pour déterminer comment les supernovae obtiennent l'énorme quantité d'énergie dont elles ont besoin pour exploser. Il utilise des statistiques bayésiennes pour distinguer les différents modèles d'explosion possibles. Le premier modèle que nous considérons dans l'article est que l'énergie d'explosion provient des neutrinos émis par l'étoile. Dans le deuxième modèle, l'énergie d'explosion provient d'une rotation rapide et de champs magnétiques extrêmement puissants. »
À partir de cela, l'équipe a conclu que dans un réseau à trois détecteurs, les chercheurs pouvaient déterminer correctement la mécanique d'explosion des supernovae à rotation rapide, en fonction de leur distance. À une distance de 10 kiloparsecs (32 615 années-lumière), ils seraient capables de détecter des signaux de CCSNe avec une précision de 100%, et des signaux à 2 kiloparsecs (6 523 années-lumière) avec une précision de 95%.
En d'autres termes, si et quand une supernova a lieu dans la galaxie locale, le réseau mondial formé par les détecteurs d'ondes gravitationnelles Advanced LIGO, Virgo et GEO 600 aurait une excellente chance de s'en emparer. La détection de ces signaux permettrait également une science révolutionnaire, permettant aux scientifiques de «voir» à l'intérieur des étoiles qui explosent pour la première fois. Comme l'a expliqué le Dr Powell:
«Les ondes gravitationnelles sont émises du plus profond du cœur de l'étoile où aucun rayonnement électromagnétique ne peut s'échapper. Cela permet à une détection des ondes gravitationnelles de nous donner des informations sur le mécanisme d'explosion qui ne peuvent pas être déterminées avec d'autres méthodes. Nous pouvons également être en mesure de déterminer d'autres paramètres tels que la vitesse de rotation de l'étoile. »
Le Dr Powell, ayant récemment terminé ses travaux de doctorat, occupera également un poste postdoctoral au Centre d'excellence RC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav), le programme d'ondes gravitationnelles hébergé par l'Université de Swinburne en Australie. Dans l'intervalle, elle et ses collègues mèneront des chercheurs ciblés pour les supernovae qui se sont produites pendant les premières et secondes analyses d'observation avancées du détecteur.
Bien qu'il n'y ait aucune garantie à ce stade qu'ils trouveront les signaux recherchés qui démontreraient que les supernovae sont détectables, l'équipe a de grands espoirs. Et compte tenu des possibilités que cette recherche offre pour l'astrophysique et l'astronomie, ils ne sont guère seuls!
