01 Tests de la gravitation en champ fort

Les observations à haute résolution du voisinage proche des objets compacts massifs, en particulier le centre galactique, avec les instruments « Event Horizon Telescope » (EHT) et GRAVITY sont l’occasion de tester ce que nous savons sur la gravitation. C’est, en effet, la première fois que nous pouvons observer directement le voisinage de tels objets compacts (l’EHT a récemment publié une image de M87), ou les trajectoires d’étoiles passant près de l’horizon. Ces données permettent de vérifier deux points essentiels pour notre compréhension de la force de gravité : la théorie de la Relativité Générale, publiée par Albert Einstein en 1915, et le concept même de trou noir (l’objet compact correspond-il à un trou noir ?).

L’équipe ROC prévoie, à travers les simulations numériques, les images et les trajectoires d’étoiles susceptibles d’être observées par les instruments cités ci-dessus, dans le cadre de théories alternatives à la Relativité Générale, ou de modèles alternatifs au trou noir (étoiles bosoniques, gravastars, ...). Des outils numériques ouverts à toute la communauté scientifique, tel le code de lancer de rayons Gyoto, sont ainsi développés dans notre équipe.

02 Les objets compacts en tant que sources d’ondes gravitationnelles

La première détection d’ondes gravitationnelles en provenance de la fusion d’une binaire de trous noirs par la collaboration LIGO/Virgo en 2015 a marqué les débuts d’un nouveau champ de l’astronomie : l’astronomie gravitationnelle. Depuis lors, on a observé non seulement de nombreuses fusions de binaires de trous noirs, mais aussi des fusions de binaires d’étoiles à neutrons et, potentiellement, une fusion entre un trou noir et une étoile à neutrons. Parmi eux, la première fusion d’une binaire d’étoiles à neutrons (événement nommé GW170817) pour laquelle une contrepartie électromagnétique a pu être observée, a démontré les capacités de ce nouveau domaine de recherche avec deux avancées majeures : les preuves que les binaires d’étoiles à neutrons sont la principale source de production des éléments lourds dans l’Univers et que les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière, ce qui exclut de nombreuses théories de la gravitation au-delà de la Relativité Générale. Dans un avenir proche, de nombreuses nouvelles données sont attendues de la nouvelle génération de détecteurs LIGO/Virgo, et plusieurs autres détecteurs d’ondes gravitationnelles sont en construction ou en projet (KAGRA au Japon, LIGO indien, Télescope Einstein, LISA).

Malgré ce succès évident, la détection d’ondes gravitationnelles reste une tâche extrêmement difficile et il est nécessaire de préparer les prochaines campagnes d’observation. Dans notre équipe, nous développons des modèles de formes d’ondes gravitationnelles en utilisant des techniques (semi-)analytiques, telles les calculs en théorie post-newtonienne, en théorie perturbative des trous noirs ou avec la’« force propre » gravitationnelle. L’objectif est d’être capable de modéliser le rayonnement gravitationnel en provenance de toutes les catégories de binaires d’objets compacts, en Relativité Générale ou dans une théorie alternative de la gravité, qui pourra être examiné par l’analyse de données des détecteurs d’ondes gravitationnelles présents ou à venir.

La détection d’ondes gravitationnelles venant de la fusion d’étoiles à neutrons permettra de répondre à la question fondamentale sur les propriétés de la matière ultra-dense en interaction forte dans les étoiles à neutrons et sur la structure de ces dernières. Dans notre équipe, nous développons des modèles pour l’équation d’état de cette matière, qui sont utilisés dans les simulations numériques de ces fusions, et maintenons pour cela une base de données.

03 Objets compacts et supernovas

Les étoiles à neutrons sont un laboratoire unique pour la compréhension des propriétés de la matière dense (matière nucléaire) et de l’interaction forte. Dans un avenir proche, des données très précieuses sont attendues en provenance de divers observatoires en service ou ou projet, tels les radiotélescopes comme celui de Nançay ou le projet SKA, mais aussi NICER ou Athena en rayons X. Ces observations permettront d’avoir des informations sur les masses, rayons, fréquences de rotation ou moment d’inertie des étoiles à neutrons, et ainsi de contraindre les propriétés de la matière nucléaire, dans des conditions impossibles à atteindre pour les expériences terrestres.

Depuis sa création, notre équipe a travaillé sur les modèles globaux d’étoiles à neutrons, afin de les confronter aux observations. Les travaux pionniers sur les étoiles à neutrons en rotation en Relativité Générale ont été améliorés ces dernières années et nous mettons l’accent sur le développement de modèles avec une microphysique réaliste, avec la mise au point d’équations d’état adaptées. Enfin, la formation des étoiles à neutrons et des trous noirs stellaires lors des supernovas gravitationnelles est également un sujet d’étude.