Comment identifier les collisions titanesques qui se produisent à des millions ou des milliards d’années-lumière ? Tout d’abord, en sondant de vastes zones du ciel. Deuxièmement, en s’associant à des observatoires du monde entier. Les scientifiques ont recherché des kilonovae, lorsque deux étoiles à neutrons ou une étoile à neutrons et un trou noir entrent en collision et déclenchent de brefs mais fantastiques spectacles de lumière lors de leur fusion. Une telle collision peut provoquer une énorme éruption qui envoie des cascades lumineuses de lumière et des ondulations dans l’espace-temps.
Combien d’éruptions brillantes comme celle-ci se produisent à travers l’univers ? Nous ne savons pas encore. Seule une poignée de candidats kilonovae ont été détectés à ce jour. Le prochain télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA est sur le point d’étudier les mêmes zones du ciel tous les quelques jours, ce qui aidera les chercheurs à suivre, voire à identifier, les détections de kilonova et, idéalement, à déclencher une « ruée vers l’or » de nouvelles informations.
Que se passe-t-il lorsque les étoiles les plus denses et les plus massives, qui sont aussi très petites, entrent en collision ? Ils envoient des explosions brillantes appelées kilonovae. Considérez ces événements comme les feux d’artifice naturels de l’univers. Les théoriciens soupçonnent qu’ils se produisent périodiquement dans tout le cosmos, à la fois proche et lointain. Les scientifiques disposeront bientôt d’un observatoire supplémentaire pour suivre et même repérer ces événements remarquables : le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, dont le lancement est prévu en mai 2027.
Les acteurs clés des kilonovae sont les étoiles à neutrons, les noyaux centraux des étoiles qui se sont effondrés sous l’effet de la gravité lors des explosions de supernovae. Ils ont chacun une masse similaire au soleil, mais ne mesurent qu’environ 10 kilomètres de diamètre.
Et lorsqu’ils entrent en collision, ils envoient des débris se déplaçant à une vitesse proche de la lumière. On pense également que ces explosions forgent des éléments lourds, comme l’or, le platine et le strontium (qui donne aux vrais feux d’artifice leurs superbes rouges). Les Kilonovae projettent ces éléments à travers l’espace, leur permettant potentiellement de se retrouver dans des roches formant la croûte de planètes terrestres comme la Terre.
La communauté astronomique a capturé l’un de ces événements remarquables de kilonova en 2017. Les scientifiques de l’observatoire d’interféromètre laser à ondes gravitationnelles (LIGO) de la National Science Foundation ont d’abord détecté la collision de deux étoiles à neutrons avec des ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace-temps. Presque simultanément, le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a détecté une lumière à haute énergie. La NASA a rapidement pivoté pour observer l’événement avec une flotte plus large de télescopes et a capturé la lueur décolorée des débris en expansion de l’explosion dans une série d’images.
Mais les joueurs de cet exemple se sont pratiquement heurtés dans notre « arrière-cour », du moins en termes astronomiques. Ils se trouvent à seulement 130 millions d’années-lumière. Il doit y avoir plus de kilonovae – et beaucoup qui sont plus éloignées – parsemant notre univers toujours actif.
« Nous ne connaissons pas encore le rythme de ces événements », a déclaré Daniel M. Scolnic, professeur adjoint de physique à l’Université Duke de Durham, en Caroline du Nord. Scolnic a mené une étude qui estime le nombre de kilonovae qui pourraient être découvertes par les observatoires passés, présents et futurs, y compris romains. « La kilonova unique que nous avons identifiée est-elle typique ? Quelle est la luminosité de ces explosions ? Dans quels types de galaxies se produisent-elles ? Les télescopes existants ne peuvent pas couvrir des zones suffisamment larges ou observer suffisamment profondément pour trouver des exemples plus éloignés, mais cela changera avec Roman.
Repérer des kilonovae plus nombreuses et plus éloignées
A ce stade, LIGO est en tête du peloton dans l’identification des fusions d’étoiles à neutrons. Il peut détecter des ondes gravitationnelles dans toutes les zones du ciel, mais certaines des collisions les plus éloignées peuvent être trop faibles pour être identifiées. Roman est prêt à rejoindre la recherche de LIGO, offrant des qualités complémentaires qui aident à « compléter » l’équipe. Roman est un télescope de sondage qui balayera à plusieurs reprises les mêmes zones du ciel.
De plus, le champ de vision de Roman est 200 fois plus grand que la vue infrarouge du télescope spatial Hubble – pas aussi vaste que celui de LIGO, mais énorme pour un télescope qui prend des images. Sa cadence permettra aux chercheurs de repérer quand les objets dans le ciel s’éclaircissent ou s’assombrissent, qu’ils soient proches ou très éloignés.
Roman fournira aux chercheurs un outil puissant pour observer les kilonovae extrêmement éloignées. Cela est dû à l’expansion de l’espace. La lumière qui a quitté les étoiles il y a des milliards d’années est étirée dans des longueurs d’onde plus longues et plus rouges, appelées lumière infrarouge, au fil du temps. Étant donné que Roman est spécialisé dans la capture de lumière proche infrarouge, il détectera la lumière d’objets très éloignés. À quelle distance ?
« Roman pourra voir des kilonovae dont la lumière a parcouru environ 7 milliards d’années pour atteindre la Terre », a expliqué Eve Chase, chercheuse postdoctorale au Laboratoire national de Los Alamos à Los Alamos, au Nouveau-Mexique. Chase a mené une étude plus récente qui a simulé comment les différences dans les éjectas de kilonovae peuvent faire varier ce que nous nous attendons à observer des observatoires, y compris Roman.
Il y a un deuxième avantage à la lumière proche infrarouge : elle donne plus de temps pour observer ces rafales de courte durée. Les longueurs d’onde plus courtes de la lumière, comme l’ultraviolet et le visible, disparaissent de la vue en un jour ou deux. La lumière proche infrarouge peut être captée pendant une semaine ou plus. Les chercheurs ont simulé les données pour voir comment cela fonctionnera. « Pour un sous-ensemble de kilonovae simulées, Roman pourrait en observer plus de deux semaines après la fusion des étoiles à neutrons », a ajouté Chase. « Ce sera un excellent outil pour observer les kilonovae qui sont très éloignées. »
Bientôt, les chercheurs en sauront beaucoup plus sur l’endroit où se produisent les kilonovae et sur la fréquence à laquelle ces explosions se produisent dans l’histoire de l’univers. Ceux qui se sont produits plus tôt étaient-ils différents d’une manière ou d’une autre? « Roman permettra à la communauté astronomique de commencer à mener des études de population ainsi qu’une multitude de nouvelles analyses sur la physique de ces explosions », a déclaré Scolnic.
Un télescope de sondage offre d’énormes possibilités, ainsi qu’une tonne de données qui nécessiteront un apprentissage automatique précis. Les astronomes relèvent ce défi en écrivant du code pour automatiser ces recherches. En fin de compte, les ensembles de données massifs de Roman aideront les chercheurs à percer peut-être les plus grands mystères sur les kilonovae à ce jour : que se passe-t-il après la collision de deux étoiles à neutrons ? Produit-il une seule étoile à neutrons, un trou noir ou autre chose ? Avec Roman, nous rassemblerons les statistiques dont les chercheurs ont besoin pour faire des percées substantielles.