Une vue d'artiste de la collision de deux étoiles à neutrons. © Dana Berry, Sky Works Digital Inc
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La kilonova la plus brillante observée aurait créé un magnétar

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Les kilonovae sont des explosions stellaires colossales plus brillantes que les novae mais moins que les supernovae. Elles sont détectables sous forme de sursaut gamma très énergétique mais on peut aussi les observer dans le visible et l'infrarouge. Hubble a montré que celle associée au sursaut gamma GRB 200522A était atypique, impliquant que cette collision d'étoiles à neutrons avait probablement donné naissance à un magnétar.

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[EN VIDÉO] Deux étoiles à neutrons fusionnent en un trou noir  Dans cette animation (ce n'est pas une observation), la Nasa montre ce que l'on pense être la collision de deux étoiles à neutrons qui formaient un couple, l'une tournant autour de l'autre. Résultant de l'effondrement d'une grosse étoile, ces astres sont extrêmement denses. Quand les deux corps se rapprochent trop, les forces de marée commencent à les déchirer. Les zones rouges montrent les régions de plus faible densité. La fusion donne un corps si dense qu'il devient un trou noir. Ce scénario a été validé en octobre 2017 par l'analyse d'ondes gravitationnelles repérées par Ligo et Virgo en août 2017 issues de la source baptisée GW170817. © Nasa 

Lorsqu'ils ont été découverts, les sursauts gamma (en anglais gamma-ray bursts, abrégé en GRB) semblaient défier les explications des astrophysiciens. Il suffit de prendre l'exemple des sursauts dits courts qui, en quelques secondes tout au plus, produisaient une énergie équivalente pendant la même durée de temps à au moins 100 millions d'étoiles comme le Soleil. Toutefois, des modèles ont finalement été proposés pour décrire les sursauts gamma, qu'ils soient courts ou longs. Dans le premier cas, on pouvait imaginer qu'il s'agissait d'une collision entre deux étoiles à neutrons formant un système binaire et qui ont fini par se rapprocher tellement en perdant de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, pendant leurs orbites en spirale l'un vers l'autre, qu'une fusion est devenue inévitable.

Qu'est-ce qu'une étoile à neutrons ? Quelle différence entre ces étoiles et notre Soleil ? Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA, nous explique que les étoiles à neutrons rayonnent très peu en lumière visible, contrairement à notre Soleil. Aussi, les étoiles à neutrons ont des tailles beaucoup plus petites que celle du Soleil : une étoile à neutrons a un diamètre compris entre 10 et 15 km, contre 1,4 million de km pour le Soleil. Ce sont également des objets compacts qui contiennent une quantité importante de matière dans un volume très petit. Étudier ces étoiles permet de tester à une échelle différente les théories de physique nucléaire. © CEA Recherche

Sursaut gamma courts et kilonovae, c'est la même chose

Les astrophysiciens relativistes, aidés par la montée en puissance des ordinateurs depuis les travaux de pionniers d'Alan Turing et John von Neumann, ont prédit le signal final de l'émission des ondes gravitationnelles peu avant la collision de deux étoiles à neutrons. Leurs collègues astrophysiciens nucléaires annonçaient, eux, que la fusion de ces astres compacts devait produire ce qu'ils ont appelé une kilonova, c'est-à-dire une sorte de nova mais d'un ordre de grandeur 1.000 fois supérieur en luminosité (voir à ce sujet le précédent article de Futura ci-dessous).

On sait que c'est le cas, comme l'a montré la découverte spectaculaire par Ligo et Virgo de la source d'ondes gravitationnelles GW170817. Les deux instruments, respectivement aux États-Unis et en Europe, ayant fonctionné en tandem, il avait été possible de préciser suffisamment la position de cette source sur la voûte céleste pour constater qu'elle était également associée à un sursaut gamma et à une kilonova.

On a de bonnes raisons de penser que le produit final de la collision est un trou noir. Mais dans le cas d'une autre kilonova, d'abord observée sous la forme d'un sursaut gamma à 5,4 milliards d'années-lumière de la Voie lactée (GRB 200522A a été découvert le 22 mai 2020), des astrophysiciens pensent maintenant que le produit de la fusion de deux étoiles à neutrons a été une nouvelle étoile à neutrons, mais pas n'importe laquelle : un magnétar. C'est ce qu'ils suggèrent dans une publication disponible sur arXiv.

Une vue d'artiste de la collision d'étoiles à neutrons à l'origine d'un sursaut gamma et d'un magnétar. De puissants jets de matière et de rayons gamma sont bien visibles. © NorthwesternU

Mais c'est quoi au juste un magnétar ? Une trentaine sont connus dans la Voie lactée et ce sont des étoiles à neutrons possédant un champ magnétique élevé. Et même si élevé, que ceux qu'on mesure avec ces astres insolites sont les plus élevés de l'Univers observable connu, et qu'ils sont parfois jusqu'à 1.000 fois plus intenses que ceux des étoiles à neutrons classiques qui sont déjà formidables. On estime ainsi que les magnétars ont un champ magnétique dipolaire, de forme analogue à celui révélé par de la limaille de fer autour d'un aimant, de l'ordre de 1015 Gauss (G), alors que sur Terre son intensité varie entre 0,25 et 0,65 Gauss et celle du champ magnétique d'un aimant sur un réfrigérateur est d'environ 50 Gauss. On mesure en moyenne des intensités de 1.500 Gauss pour les taches solaires.

Mais pourquoi soupçonner que GRB 200522A a été à l'origine d'un magnétar ?

Un trou noir stellaire n'a aucun champ magnétique propre

Afin de mieux comprendre les processus à l'œuvre à l'occasion d'une kilonova, ce sursaut gamma avait conduit les astronomes à mobiliser le regard du télescope Hubble. Or, à leur grande surprise, la partie du spectre dans le proche infrarouge de ce cataclysme cosmique était 10 fois plus lumineuse que prévu pour une kilonova standard.

Il semble que cela s'explique très bien si l'on est en présence d'intenses champs magnétiques injectant de l'énergie dans les débris de la collision des deux étoiles à neutrons, qui se mettent alors à luire dans le domaine infrarouge beaucoup plus qu'en l'absence de ces champs magnétiques selon les chercheurs. Mais le prix Nobel de physique russe Vitaly Ginsburg avait montré, en 1964, qu'une étoile s'effondrant gravitationnellement ne peut pas donner un trou noir possédant un champ magnétique, alors que l'on sait que toutes les étoiles en sont dotées. On ne peut donc guère échapper à la conclusion que la kilonova a laissé un résidu tout à la fois dense et doué d'un fort champ magnétique, un magnétar plus précisément étant donné l'intensité du champ magnétique pour expliquer la brillance record dans l'infrarouge proche mise en évidence avec Hubble.

Cette image prise par Hubble montre la lueur d'une kilonova causée par la fusion de deux étoiles à neutrons. La kilonova apparaît comme un point lumineux (indiqué par la flèche) en haut à gauche de la galaxie hôte à 5,4 milliards d'années-lumière de la Voie lactée. L'explosion était aussi détectable dans le domaine des rayons gamma sous la forme d'un sursaut gamma court, GRB 200522A. © Nasa, ESA, W. Fong (Northwestern University), and T. Laskar (University of Bath, UK)
  • Une « kilonova » est une collision d'étoiles à neutrons environ 1.000 à 10.000 fois plus lumineuse qu'une nova provoquée par une explosion thermonucléaire récurrente à la surface d'une naine blanche accrétant de la matière, mais environ 100 fois moins brillante qu'une supernova.
  • Grâce à l'essor de l'astronomie gravitationnelle et la détection en 2017 de la source GW170817 par Ligo et Virgo, on a pu conclure que l'on avait vraiment observé pour la première fois une kilonova et que le sursaut gamma court associé, GRB 170817A, détecté à la fois par les satellites Fermi et Integral, était bel et bien le produit d'une collision entre deux étoiles à neutrons.
  • Les modèles décrivant ce phénomène semblaient couronnés de succès au début mais on ne comprend pas vraiment pourquoi on détecte encore des rayons X associés à cet événement. Il va falloir revoir la copie pour résoudre cette énigme.
  • La kilonova observée le 22 mai 2020 sous la forme du sursaut gamma GRB 200522A est également atypique et on pense qu'elle a, en fait, donné naissance à un magnétar.
Pour en savoir plus

Ondes gravitationnelles : la kilonova derrière GW170817 continue de briller en X et on ne sait pas pourquoi !

Article de Laurent Sacco publié le 15/10/2020

La kilonova détectée en 2017 grâce à des ondes gravitationnelles et ses émissions gamma était le produit d'une collision d'étoiles à neutrons. Les modèles décrivant ce phénomène semblaient couronnés de succès au début mais on ne comprend pas vraiment pourquoi on détecte encore des rayons X associés à cet événement. Il va falloir revoir la copie pour résoudre cette énigme.

Depuis l'année 2015, nous sommes entrés dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Elle a été préparée par de nombreux pionniers depuis les années 1960 dont certains sont heureusement encore parmi nous et qui se sont vu récompensés par l'attribution de deux prix Nobel de physique, à savoir Kip Thorne et Roger Penrose.

Nous n'en sommes encore qu'au début des découvertes avec cette astronomie dont les objets d'études principaux sont les trous noirs et les étoiles à neutrons. Les premiers recèlent des secrets dans le domaine de la physique la plus fondamentale, celle de la gravitation quantique en liaison avec le tout jeune domaine de l'information quantique. Les seconds ont des implications sur l'évolution chimique des galaxies et l'origine de certains éléments comme les noyaux d'or et ils sont aussi de formidables laboratoires pour la physique nucléaire, des particules élémentaires et bien d'autres choses encore lorsque ces étoiles sont aussi des pulsars.

On peut notamment expliquer avec des collisions d'étoiles à neutrons un phénomène cosmique qui était resté énigmatique depuis des décennies, celui des fameux sursauts gamma, les gamma-ray bursts (GRB) en anglais. Ces fantastiques flashs de photons gamma libérant une énergie prodigieuse avaient d'abord été découverts à la fin des années 1960 grâce aux satellites militaires Vela, lancés pour surveiller d'éventuels tests atomiques dans l'atmosphère ou l'espace - en violation des accords passés qui les interdisaient.

La saga de la détection de GW170817. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Science vs Cinema

Les kilonovae, des émetteurs d'ondes gravitationnelles, gamma et X

Les sursauts gamma existent sous deux formes, les courts et les longs. Les GRB courts - c'est-à-dire ceux durant quelques secondes tout au plus, par opposition aux sursauts longs durant plus longtemps - sont interprétés comme des manifestations de kilonovae résultant de collisions d'étoiles à neutrons dans un système binaire.

Il n'est pas difficile de comprendre l'origine du terme « kilonova » lorsque l'on sait que ces catastrophes cosmiques sont environ 1.000 fois plus lumineuses qu'une nova provoquée par une explosion thermonucléaire récurrente à la surface d'une naine blanche accrétant de la matière, alors qu'une supernova est environ 100 fois plus brillante qu'une kilonova. On a détecté des candidats au titre de kilonova depuis le début des années 2000 et notamment en 2013. Mais il a fallu attendre l'essor de l'astronomie gravitationnelle et la détection en 2017 de la source GW 170817, par Ligo et Virgo, pour conclure que l'on avait vraiment observé pour la première fois une kilonova, et que le sursaut gamma court associé, GRB 170817A, détecté à la fois par les satellites Fermi et Integral, était bel et bien le produit d'une collision entre deux étoiles à neutrons. Les ondes gravitationnelles mesurées par les deux détecteurs avaient en effet permis de localiser la collision sur la voûte céleste où la contrepartie en gamma avait été trouvée.

La kilonova était aussi une source de rayons X. L'évolution de sa courbe de lumière dans ce domaine des ondes électromagnétiques avait pu être suivie par le célèbre instrument dédié à l'astronomie X et portant le diminutif d'un autre prix Nobel de physique s'étant illustré dans le domaine de l'astrophysique relativiste, le satellite Chandra de la Nasa.

On voit que la lumière des rayons X de l'emplacement de la fusion d'étoiles à neutrons GW170817 devient plus brillante au cours des cinq premiers mois, puis s'estompe rapidement. © Troja et al., 2020, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 498, 5643

La théorie des kilonovae est à revoir

Mais voilà qu'une équipe internationale de chercheurs, dirigée par l'astronome de l'université du Maryland, Eleonora Troja, vient de faire savoir via une publication d'un article dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv, que quelque chose ne tourne pas rond avec les modèles de kilonova développés jusqu'à présent, si l'on en croit les données de Chandra concernant GW170817.

Son regard s'est porté à plusieurs reprises sur la galaxie NGC 4993 d'où le signal gravitationnel de la collision d'étoiles à neutrons, détectée sur Terre le 17 août 2017, est parti il y a environ 130 millions d'années. C'est en effet la distance en années-lumière qui sépare la Voie lactée de cette galaxie lenticulaire située dans la constellation de l'Hydre, initialement découverte par l'astronome germano-britannique William Herschel, le 26 mars 1789.

Or, si l'intensité du rayonnement X émis dès l'occurrence de GW170817 a bien diminué avec le temps, cette diminution est nettement moins rapide que prévu. Chandra les voit toujours alors qu'elles auraient dû s'arrêter. C'est en effet ce qu'explique Eleonora Troja dans un communiqué de l'université du Maryland : « Nous entrons dans une nouvelle phase de notre compréhension des étoiles à neutrons. Nous ne savons vraiment pas à quoi nous attendre à partir de maintenant, car tous nos modèles prévoyaient la fin des émissions de rayons X et nous avons été surpris de les voir 1.000 jours après la détection de la collision. Il faudra peut-être des années pour trouver une explication à ce qui se passe, mais nos recherches ouvrent la porte à de nombreuses possibilités ».

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