I10 : Binary rEvolution – De l’évolution des binaires à la fusion d’objets compacts

Plus de 70% des étoiles massives expérimentent une interaction binaire au moins une fois dans leur vie (Sana et al., 2012). Au cours de leur évolution, l’une des étoiles devient d’abord un objet compact (naine blanche, étoile à neutron ou trou noir) et, si elle est assez proche, attire la matière de son compagnon. Les étoiles échangent ainsi de la matière et du moment angulaire, à travers un processus énergétique appelé accrétion: elles deviennent alors des binaires compactes (Chaty 2013). Une telle paire d’étoiles massives évolue finalement vers la fusion de deux objets compacts. Ce phénomène, qui a conduit à l’émission d’ondes gravitationnelles, a été magnifiquement révélé le 14 septembre 2015 par la collaboration LIGO, résultant de la fusion de deux trous noirs massifs de masse stellaire de ~ 30 masses solaires (Abbott et al 2016ab). Les deux fortes détections d’ondes gravitationnelles déjà annoncées constituent probablement la partie visible de l’iceberg: en effet, des binaires proches existent partout dans notre Univers et devraient être détectées lorsqu’elles fusionnent et émettent des ondes gravitationnelles!

La plupart des modèles évolutifs de systèmes binaires stellaires sont basés sur l’évolution couplée de deux étoiles isolées. Cependant, ces modèles évolutifs sont incomplets: bien que nous ne comprenions pas complètement les mécanismes régissant l’évolution stellaire, nous en savons encore moins sur les processus physiques se produisant dans des systèmes binaires proches, où les deux étoiles échangent matière et moment cinétique. Tout d’abord, la phase d’enveloppe commune, qui se produit très tôt dans l’évolution d’une binaire compacte, est à la fois au niveau de la théorie et de l’observation très inconnue. Deuxièmement, le « kick » natal reçu lors de l’événement de supernova n’est pas contraint, en particulier pour les trous noirs. Enfin, la métallicité joue un rôle important dans la force des vents stellaires, ce qui peut faire perdre beaucoup de masse à l’étoile. Par conséquent, vu que l’évolution des binaires vers la fusion n’est pas entièrement comprise, les modèles actuels de synthèse des population des systèmes binaires dans les galaxies ont un degré élevé d’incertitude, ce qui implique que la recherche pour identifier les progéniteurs des fusions est imparfaite.

Dans ce projet d’interface entre AIM et APC, nous proposons d’aborder ce problème en calculant l’évolution de la population actuelle de binaires compactes connues dans notre Galaxie, en utilisant de nouvelles données obtenues à partir du satellite Gaia, qui révolutionne le domaine de l’astrométrie en fournissant une vision totalement nouvelle à 6D (position et vitesse) de notre galaxie. Ensuite, en comparant les dernières étapes évolutives des astres compacts avec les prédictions des modèles actuels de synthèse de population, nous serons en mesure de limiter les trois plus grandes incertitudes de ces modèles: la phase d’enveloppe commune, le « kick » natal et la métallicité. Nous projetons ensuite d’extrapoler nos résultats dans des environnements galactiques à faible métallicité, en calculant des modèles de synthèse de population actualisés, afin d’améliorer les taux prévus de fusions d’astres compacts et donc de détections d’onde gravitationnelle. En bref, «les binaires d’hier sont les ondes gravitationnelles d’aujourd’hui»!