UNE COLLISION D'ÉTOILES À NEUTRONS PRÉPARÉE PENDANT 12 MILLIARDS D'ANNÉES

En 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont capté les ondes gravitationnelles de deux étoiles à neutrons qui spiralaient l’une vers l’autre : GW170817. Des télescopes ont ensuite vu l’explosion elle-même, un sursaut de rayons gamma et une kilonova — la lueur des éléments lourds tout juste forgés et éjectés par la collision — dans la galaxie NGC 4993. Une seconde fusion d’étoiles à neutrons, GW190425, a été détectée depuis, mais elle était mal localisée et aucune lumière n’a été trouvée. GW170817 reste donc le seul événement d’ondes gravitationnelles jamais rattaché à une galaxie.

Cette galaxie est un indice. Ryan Foley, de l’université de Californie à Santa Cruz, a utilisé cet indice pour chercher combien de temps ces couples attendent avant de fusionner — et a trouvé une réponse qui ne colle pas au scénario habituel.

Le temps d’attente

Les astronomes l’appellent le délai : le temps entre la naissance des étoiles et la fusion. Une fois les deux étoiles à neutrons formées, elles perdent lentement leur énergie orbitale en ondes gravitationnelles. Le temps que cela prend croît comme la puissance quatrième de leur séparation : les couples nés serrés fusionnent vite, les couples nés écartés fusionnent tard.

Pour une large gamme de séparations de départ plausibles, cela donne une règle simple : le nombre de fusions par unité de délai décroît comme 1 divisé par le délai. Ajoutez un délai minimal d’environ 10 millions d’années, et vous obtenez la distribution canonique. Son message : la plupart des couples fusionnent peu après la naissance de leurs étoiles, et peu attendent des milliards d’années.

Dater NGC 4993

NGC 4993 est une galaxie « de type précoce » (classe S0) : une galaxie qui forme aujourd’hui peu d’étoiles nouvelles. Aucun amas d’étoiles et aucune région de formation d’étoiles ne se trouvent près de l’endroit où la kilonova a brillé : le couple s’est sans doute formé longtemps avant la fusion, ailleurs dans la galaxie. Foley a donc modélisé les étoiles de toute la galaxie, en combinant des mesures dans 14 couleurs, de l’ultraviolet à l’infrarouge, avec un spectre de l’instrument MUSE du Très Grand Télescope (VLT).

L’ajustement découpe l’histoire de la galaxie en 20 tranches de temps et laisse chacune former des étoiles librement. Le résultat est sans appel. L’âge moyen de ses étoiles est de 12,4 milliards d’années (entre 11,7 et 12,9, avec 90 % de confiance). La formation d’étoiles a culminé il y a 12,5 à 13 milliards d’années, à 54 masses solaires d’étoiles nouvelles par an, et reste sous une masse solaire par an depuis 9 milliards d’années. Environ 96 % de la masse de la galaxie était en place il y a 10,2 milliards d’années. Des coquilles autour de la galaxie signalent une petite fusion il y a environ un milliard d’années, mais le spectre ne montre aucune trace des jeunes étoiles qu’elle aurait pu produire.

GW170817 a donc très probablement eu un délai d’environ 12 milliards d’années.

Une chance de 1,8 %

Foley a ensuite combiné cet âge avec l’histoire cosmique de la formation d’étoiles, le taux de fusions mesuré par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA et les deux fusions détectées.

Avec la distribution canonique, pour chaque fusion vue aujourd’hui avec un délai de 10 milliards d’années, il devrait y en avoir environ 2 avec un délai d’un milliard d’années et 16 avec un délai de 100 millions d’années (pour une même largeur de délais). La probabilité qu’une fusion détectée soit aussi vieille que GW170817 n’est que de 1,8 %. La raison est simple : NGC 4993 a formé la moitié de ses étoiles il y a plus de 12,6 milliards d’années, alors que l’Univers dans son ensemble n’avait formé à ce moment-là que 1,1 % des siennes.

En moyenne, il faudrait 55 détections de plus avant d’en attendre une semblable. Or la toute première fusion localisée s’est justement révélée être ce cas rare.

Ce que préfèrent les données

Quand on laisse le délai minimal libre, les données en préfèrent un très long. Une distribution où aucun couple ne fusionne avant 12,6 milliards d’années est préférée à la canonique d’un facteur 40 à 140, selon la façon d’intégrer le taux de fusions, et aux distributions déduites des sursauts gamma courts et des étoiles à neutrons doubles de la Voie lactée d’un facteur 80 à 280. Dans l’un des traitements, le délai minimal dépasse 7,5 milliards d’années avec 90 % de confiance.

Trois portes de sortie

Pour que le scénario canonique survive, il faut que des fusions à court délai « manquent ». Foley envisage trois explications.

Les couples pourraient naître bien plus écartés que prévu. Un délai minimal de 10 milliards d’années signifie qu’aucun couple d’étoiles à neutrons de 1,5 masse solaire ne démarre à moins de 0,021 unité astronomique (0,021 fois la distance Terre-Soleil). Foley le juge peu probable : ce serait en contradiction avec les étoiles à neutrons doubles connues et avec les étoiles binaires massives.
Les détecteurs pourraient avoir manqué de nombreuses fusions. Foley juge cela extrêmement improbable.
Une autre façon de former des couples, avec de longs délais, pourrait rivaliser avec la voie habituelle, voire la dominer.

Foley privilégie la troisième. Le candidat le plus prometteur : les amas d’étoiles denses, où des couples peuvent se former lors de rencontres gravitationnelles entre étoiles, avec des délais proches de l’âge de l’Univers. Sur les quelque 24 étoiles à neutrons doubles connues dans la Voie lactée, une confirmée et trois non confirmées se trouvent dans des amas globulaires, un type d’amas d’étoiles denses. Mais aucun amas n’a été vu sur le site de GW170817, et la théorie récente prédit trop peu de fusions en amas : il faudrait un taux plus élevé que prévu.

Des remous au-delà d’un seul événement

Si les fusions attendent aussi longtemps, elles arrivent trop tard pour enrichir la jeune Galaxie en éléments lourds qu’elles fabriquent, comme l’europium (les éléments dits « du processus r »). Et les recherches qui traquent la lumière des nouvelles fusions en privilégiant les galaxies qui forment des étoiles pourraient ne pas viser les plus prometteuses. Avec un délai minimal de 10 milliards d’années, aucune fusion de ce type n’aurait pu se produire avant que l’Univers ait 10 milliards d’années : les futurs détecteurs en verraient bien moins à grande distance.

Tout cela repose sur deux événements, dont un seul localisé. Foley attend d’autres détections pour préciser le tableau, et soupçonne que la vraie distribution est moins simple qu’une loi de puissance unique avec un délai minimal.