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Illustration d’artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons, entraînant une onde gravitationnelle à leur périphérie, fournie par la National Science Foundation le 16 octobre 2017 © National Science Foundation/AFP A. Simonnet

Les observateurs des évènements qui secouent le cosmos ont détecté pour la première fois, et à deux reprises, la fusion d’un trou noir « avalant » une étoile à neutrons, selon une étude internationale mardi. Les astrophysiciens avaient déjà observé des fusions de trous noirs entre eux, ou celles d’étoiles à neutrons, mais jamais encore de « couples mixtes », comme l’indique un communiqué du CNRS. « C’est le chaînon manquant qui va aider à comprendre ces coalescences (fusions), avec des théories englobant l’ensemble de ces phénomènes », a dit l’astrophysicienne Astrid Lamberts, principale auteure de l’étude, parue dans Astrophysical Journal Letters.

Les deux événements ont été repérés à dix jours d’intervalle, en janvier 2020, par les détecteurs d’ondes gravitationnelles Virgo et Ligo. Les ondes gravitationnelles sont d’infimes variations de l’espace-temps, provoquées par des phénomènes d’ampleur, comme la fusion de deux trous noirs. En analysant la forme de l’onde, comme celle que provoquerait un caillou jeté à la surface d’une mare, on peut déterminer la distance et les masses en présence. En l’occurrence, ces fusions, bien distinctes, sont intervenues à environ 900 millions et un milliard d’années-lumière de la Terre. Les trous noirs impliqués avaient respectivement une masse de 8,9 et 5,7 fois notre soleil. Face à eux, les étoiles à neutrons, d’une masse respective de 1,9 et 1,5 fois notre soleil, n’avaient aucune chance d’échapper à leur attraction fatale.

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Image tirée de la simulation d’une fusion de deux trous noirs, diffusée par l’Institut Max Planck pour la physique gravitationnelle, le 2 septembre 2020 © Max Planck institute for gravitational physics/ AFP N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno

« Si la différence de masse est trop grande, le trou noir avale tout d’un coup », explique Astrid Lamberts, chargée de recherche CNRS à l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA), et experte en « étoiles massives, qui sont les progéniteurs des étoiles à neutrons et des trous noirs stellaires ». Trous noirs stellaires et étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus exotiques du monde cosmique. Les deux résultent de l’effondrement, en fin de vie, d’une étoile massive sur elle même. La masse du trou noir est si concentrée que la force de gravitation empêche toute chose d’en échapper, même la lumière. L’étoile à neutrons, bien qu’extraordinairement compacte, reste, elle, visible. Les observations des deux fusions trou noir-étoile à neutrons viennent compléter un tableau comptant à ce jour presque 50 fusions binaires de trous noirs, et une poignée de fusions binaires d’étoiles à neutron.