Impression d'artiste de la collision entre deux étoiles à neutrons. © University of Warwick, Mark Garlick
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Qu'est-ce qu'une kilonova dont des rémanents viennent d'être détectés pour la première fois ?

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En étudiant le signal GW170817, issu de la fusion de deux étoiles à neutrons et résultant, entre autres, en une kilonova, une équipe d'astronomes pointe le caractère singulier du phénomène, dont un flux de rayonnements X rémanent susceptible d'apporter des indices sur la nature de l'objet résultant de la fusion de ces deux étoiles massives.

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Détecté le 17 août 2017 dans la galaxie NGC 4993 grâce aux instruments Ligo et Virgo (deux interféromètres conçus pour détecter des ondes gravitationnelles), GW170817 est un signal attribué à une observation directe d'ondes gravitationnelles. Décrites comme des oscillations de la courbure de l’espace-temps qui se propagent depuis une source, les ondes gravitationnelles avaient été prédites par Albert Einstein dès 1916, mais il a fallu attendre près de cent ans pour que la première observation d'ondes gravitationnelles soit réalisée, en septembre 2015.

Un signal bien singulier

D'après les astrophysiciens, ce signal aurait été émis à la suite de la fusion entre deux étoiles à neutrons. Mais ce qui fait sa particularité, c'est la détection d'ondes électromagnétiques qui lui est associée : c'est la première fois qu'un phénomène astronomique est détecté à la fois sous forme d'ondes gravitationnelles, ainsi que sous forme lumineuse. En effet, un sursaut gamma (GRB170817A), associé à GW170817, a été détecté par le Fermi Gamma-ray Space Telescope moins de deux secondes après le début du signal d'ondes gravitationnelles.

Depuis, près de 70 observatoires, au sol ou dans l'espace, participent au suivi du phénomène. Les radiotélescopes américains VLA et VLBA ont par exemple pu observer des ondes radio rémanentes associées à GW170817, permettant de confirmer le scénario d'une coalescence de deux étoiles à neutrons.

Une kilonova associée au phénomène

Détecté près de 11 heures après l'observation d'ondes gravitationnelles, l'évènement AT 2017gfo a été interprété comme étant une kilonova (pouvant être définie comme une supernova sous-lumineuse). Du fait de sa proximité spatio-temporelle avec GW170817, cette kilonova a été associée à la même fusion d'étoiles à neutrons. Ce phénomène aurait été accompagné d'un jet de particules chargées, se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière et produisant une émission de rayonnements X, mesurés par l'observatoire Chandra de la Nasa. D'après une équipe d'astrophysiciens américains, l'étude de ces rayonnements X pourrait être la clé pour identifier l'objet résultant de la fusion de ces deux étoiles à neutrons.

La kilonova issue de l'évènement GW170817, observée par Hubble. © Nasa, ESA

Peu après leur détection, les émissions de rayons X produites par le jet de matière auraient peu à peu diminué, tandis que le jet de matière ralentissait. Mais depuis 2020, ce déclin en luminosité se serait arrêté, laissant place à une émission de rayons X relativement constante. D'après les astronomes, cela indiquerait la détection d'un objet supplémentaire, différent du jet de particules chargées : une autre source de rayons X est alors nécessaire pour expliquer ces observations.

Une luminescence rémanente… ou même un trou noir ?

Selon les astronomes, cette nouvelle source de rayons X pourrait être issue d'un choc généré par l'expansion rapide des débris résultant de la fusion entre les deux étoiles. Ce choc aurait échauffé les matériaux environnants, émettant ainsi des rayonnements X - ce phénomène serait alors associé à une luminescence résiduelle de la kilonova.

L'hypothèse d'un trou noir n'est également pas écartée, les matériaux tombant dans ce géant cosmique pouvant générer de la même façon de telles émissions de rayonnements X. L'idée de la formation d'une étoile à neutrons plus massive n'est quant à elle que peu considérée, car les rayonnements associés devraient être bien plus lumineux.

Pour trouver le fin mot de l'histoire, les astronomes vont continuer leurs observations de GW170817, dans les rayons X ainsi que dans les ondes radio : dans le cas d'une luminescence résiduelle de la kilonova, les émissions de rayons X et d'ondes radio devraient augmenter au cours des prochains mois. En revanche, si l'émission de rayons X diminue et que l'émission d'ondes radio est stoppée, les scientifiques pencheront plutôt pour le scénario de la formation d'un trou noir (ce serait alors le moins massif détecté !).

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