GW170817 : quand les ondes gravitationnelles ont accompagné un sursaut gamma

Les ondes gravitationnelles sont des fluctuations de l’espace-temps produites par de puissants phénomènes cosmiques. Pour GW170817, les détecteurs terrestres LIGO, aux États-Unis, et Virgo, en Italie, ont enregistré un signal associé à la fusion de deux étoiles à neutrons. Le satellite Fermi et l’observatoire spatial INTEGRAL ont également enregistré un bref sursaut gamma, désigné GRB 170817A. C’était la première association observée entre des ondes gravitationnelles et de la lumière de haute énergie provenant d’une même source cosmique.

La détection a déclenché des observations de suivi à l’aide de télescopes terrestres et spatiaux. Environ une demi-journée plus tard, des observatoires optiques ont repéré une nouvelle source près du centre de la galaxie NGC 4993. Les observations ultérieures ont révélé des signaux dans d’autres bandes, de l’ultraviolet, du visible et de l’infrarouge aux rayons X et aux ondes radio. L’événement a ainsi pu être étudié grâce à des observations complémentaires, et non à partir du seul signal gravitationnel ou du seul sursaut gamma.

Une coïncidence entre des signaux différents

Un article de l’équipe INTEGRAL, publié le 16 octobre 2017 dans The Astrophysical Journal Letters, indique que l’instrument SPI-ACS a détecté GRB 170817A environ deux secondes après la fin de l’événement gravitationnel. L’article donne un rapport signal sur bruit de 4,6 pour la détection d’INTEGRAL. Il calcule également une significativité de 3,2 sigma pour l’association entre le signal d’INTEGRAL et GW170817, et de 4,2 sigma pour l’association entre les détections de Fermi-GBM et d’INTEGRAL. Ces chiffres portent sur des comparaisons statistiques différentes ; ils ne constituent pas des mesures interchangeables d’une seule association.

La comparaison des heures d’arrivée des rayons gamma à Fermi et à INTEGRAL a contribué à préciser la localisation du sursaut. Selon l’article, l’ajout de l’observation d’INTEGRAL a réduit d’un facteur 1,8 la zone finale de localisation de Fermi au niveau de 90 %. Le signal gravitationnel a été enregistré par les deux détecteurs LIGO et par Virgo, dont la réponse était plus faible. L’Agence spatiale européenne (ESA) a décrit la région du ciel indiquée par les mesures comme couvrant 28 degrés carrés et situé la source à environ 130 millions d’années-lumière.

Ce qu’INTEGRAL a enregistré et les limites de la mesure

INTEGRAL, dont le nom complet est INTernational Gamma-ray Astrophysics Laboratory, est un observatoire spatial gamma de l’ESA. L’équipe a estimé la fluence du sursaut à (1,4 ± 0,4 ± 0,6) × 10⁻⁷ erg cm⁻² dans la bande de 75 à 2000 keV. Le premier terme d’incertitude est statistique, au niveau de confiance de 1 sigma ; le second est systématique et correspond à l’incertitude du modèle spectral et de la réponse instrumentale.

L’article précise que l’estimation dépend d’hypothèses sur les modèles spectraux, car SPI-ACS ne dispose pas de résolution en énergie. Il indique aussi une limite instrumentale : en raison de son seuil inférieur, SPI-ACS ne pouvait pas observer les émissions en dessous d’environ 100 keV. Ce point compte car GRB 170817A était un sursaut relativement « mou », dont la majeure partie de l’énergie se situait sous ce seuil. L’article mentionne aussi une impulsion initiale brève et plus dure, avec une émission atteignant au moins 200 keV. La mesure de SPI-ACS doit donc être considérée à la lumière de la gamme qu’il pouvait observer et des hypothèses utilisées pour estimer la fluence.

Après la détection initiale, INTEGRAL a continué à observer la région et mené des observations de suivi ciblées, commencées 19,5 heures après l’événement et d’une durée de 5,4 jours. L’article donne une limite supérieure pour les signaux électromagnétiques dans une large plage, de 3 keV à 8 MeV, et contraint le flux d’une éventuelle rémanence gamma molle au niveau de probabilité de 99 %. Pour ce calcul, les auteurs ont utilisé une distribution des durées de sursauts fondée sur des travaux antérieurs. L’équipe indique également que les observations de suivi décrites n’ont détecté ni autre émission persistante ni autre sursaut en provenance de la direction de la contrepartie optique.

NGC 4993 et les observations ultérieures

Selon l’ESA, la source optique repérée près du centre de NGC 4993 se trouvait à une distance compatible avec celle indiquée par LIGO et Virgo. Les campagnes de suivi ont ensuite observé des signaux dans l’ultraviolet, le visible et l’infrarouge, puis dans les rayons X et les ondes radio. Chaque bande a apporté une partie différente du dossier d’observation de l’événement.

L’ESA décrit le phénomène comme une kilonova : la matière riche en neutrons éjectée lors de la fusion interagit avec son environnement et des éléments lourds se forment au cours du processus. L’agence présente cette explication dans le contexte des observations de suivi réalisées dans différentes bandes et du signal gravitationnel ; elle ne découle pas uniquement de la mesure gamma d’INTEGRAL.

L’agence précise également que, parmi les sursauts courts dont la distance avait été mesurée, celui-ci était le plus proche et le plus faible. Pour expliquer ses propriétés, l’ESA propose que les jets produits lors de la collision ne pointaient pas directement vers la Terre. Il s’agit d’une interprétation des observations, et non d’une mesure directe de l’orientation des jets.

Pourquoi combiner les observatoires

Avant GW170817, les détections d’ondes gravitationnelles confirmées décrites dans le récit de l’ESA avaient été attribuées à des paires de trous noirs en fusion. L’agence explique que d’autres collisions cosmiques, notamment celles impliquant des étoiles à neutrons, pouvaient produire à la fois des ondes gravitationnelles et de la lumière dans différentes parties du spectre électromagnétique. GW170817 a fourni la première association observée entre des ondes gravitationnelles et de la lumière de haute énergie provenant d’une même source.

Les instruments ont fourni des observations différentes : LIGO et Virgo ont enregistré les ondes gravitationnelles ; Fermi a détecté GRB 170817A et SPI-ACS, à bord d’INTEGRAL, a enregistré un signal gamma coïncident. La comparaison des heures d’arrivée aux satellites a contribué à améliorer la localisation de Fermi. Des observatoires optiques ont ensuite identifié la source dans NGC 4993, et la campagne a suivi son évolution dans d’autres bandes. Cette séquence montre l’intérêt de combiner les mesures sans confondre les apports de chaque instrument.

Résultats et limites des éléments disponibles

L’interprétation conjointe relie GW170817, GRB 170817A et la source optique de NGC 4993 à la fusion de deux étoiles à neutrons. L’article d’INTEGRAL rapporte la détection du sursaut, l’amélioration de la localisation de Fermi grâce à l’ajout de l’observation du satellite et les limites obtenues lors du suivi. Le récit de l’ESA apporte le contexte des observations ultérieures et décrit l’interprétation comme une kilonova.

Les chiffres doivent être distingués selon ce qu’ils mesurent. Le rapport signal sur bruit de 4,6 caractérise la détection d’INTEGRAL ; les significativités de 3,2 et 4,2 sigma concernent des associations statistiques différentes. La fluence estimée comporte des incertitudes statistiques et systématiques, et la sensibilité basse de SPI-ACS ne couvrait pas les émissions en dessous d’environ 100 keV. La limite concernant une éventuelle rémanence dépend, elle, des hypothèses de durée des sursauts utilisées dans l’analyse. L’orientation proposée des jets est une explication, pas une observation directe.

GW170817 a réuni dans un même dossier des signaux gravitationnels et électromagnétiques associés à un seul événement. INTEGRAL a ajouté un enregistrement gamma et contribué à préciser la localisation ; les observations ultérieures de NGC 4993 ont élargi l’étude du phénomène. Les conclusions sur le signal doivent être lues à la lumière des limites instrumentales et des incertitudes explicites de l’analyse.