Une vue d'artiste de la collision de deux étoiles à neutrons. © Dana Berry, Sky Works Digital Inc
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Ondes gravitationnelles : la kilonova derrière GW170817 continue de briller en X et on ne sait pas pourquoi !

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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.

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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 ».

  • Une « kilonova » est une collision d'étoiles à neutrons environ 1.000 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 GW 170817 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.
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