Les jets super rapides émergent des fusions d'étoiles

Debarati Chatterjee
26 oct. 2018
4 min de lecture

Le 17 août 2017, un événement dans une galaxie lointaines à 130 millions d'années-lumière a renversé notre vision de l'astronomie. Alors que nous entrons dans l'ère de l'astronomie multi-messager, on sait maintenant que nous avons besoin de plus de coopérations que de compétitions. Nous devons travailler ensemble et non pas les uns contre les autres pour atteindre les avancées scientifiques, c'est-à-dire qu'il nous faut partager: savoir-faire, perspectives, information.

Les étoiles à neutrons sont des objets extrêmement denses laissés après la mort des étoiles massives. Leurs propriétés sont si extrêmes qu’elles dépassent nos connaissances actuelles en physique, bien au-delà des limites de la technologie existante sur Terre. Afin de comprendre les étoiles à neutrons, les scientifiques doivent travailler ensemble pour comprendre les interactions entre de nombreuses disciplines différentes de la physique à toutes leurs extrémités (voir plus ici). C’est pourquoi il s’agit d’un tel défi pour les physiciens. Cependant, ce que l’humanité tirera des leçons de la nature ouvrira la voie aux technologies de demain.

La fusion d'étoiles à neutrons est un phénomène aussi spectaculaire qui, lorsqu'il est détecté, peut fournir une mine d'informations sur le fonctionnement de la nature. En 1974 déjà, Hulse et Taylor avaient établi que l’orbite des étoiles à neutrons se déplaçant dans une binaire se rétrécissait progressivement. L'explication est venue de la théorie de la relativité générale selon laquelle les étoiles à neutrons, étant très denses, possèdent une forte gravité, et donc déforment l'espace-temps autour d'elles. Au fur et à mesure que les étoiles à neutrons se déplacent dans l'espace-temps déformé, elles perdent de l'énergie et se rapprochent progressivement, comme des balles glissant dans un entonnoir. L'énergie perdue est transportée sous forme de minuscules ondulations à travers la structure de l'espace-temps, appelées ondes gravitationnelles. Ces ondes sont si faibles qu'on a cru jusqu'à récemment qu'il était impossible de les détecter. La percée a eu lieu le 14 septembre 2015, lorsque les premières ondes gravitationnelles ont été détectées à partir de deux trous noirs (lire cet article pour en savoir plus). Peu de temps après, quelques découvertes supplémentaires sur les ondes gravitationnelles des trous noirs sont apparues.

Des calculs théoriques et des simulations suggèrent qu'une telle fusion d'étoiles à neutrons soit associée à un autre événement astrophysique cataclysmique, le Soft Gamma Ray Burst (SGRB). L'une des explosions les plus énergétiques de l'univers, une rafale de rayons gamma (moins de 2 secondes) devrait accompagner un SGRB. Ceci serait associé à un fort éclaircissement des fréquences optiques ou infrarouges, également appelé «kilonova».

La nature du reste après la fusion fait encore l’objet d’un débat. Selon les modèles existants, la fusion aboutirait à une explosion, propulsant une coquille de débris vers l'extérieur dans le milieu interstellaire. Une étoile à neutrons méta-stable pourrait être produite, pour finalement s’effondrer dans un trou noir entouré par un disque à rotation rapide, ou dans un autre scénario, une étoile à neutrons stable fortement magnétisée pourrait être produite. Cependant, on s'attend à ce qu'un jet collimaté hautement énergétique soit généré, mais le mécanisme est que le lancement d'un tel jet est très complexe et n'est pas encore complètement compris.

Enfin, le 17 août 2017, des ondes gravitationnelles ont été détectées à partir d'un binaire d'étoiles à neutrons. Ce qui est fascinant dans cette découverte, c’est que l’événement a été suivi de près par des observateurs de tous les domaines possibles de l’astrophysique, ce qui a conduit simultanément à la découverte de nombreux indices différents qui ont permis de reconstruire le dessin complet de l’événement.

Non seulement des ondes gravitationnelles ont été détectées par la collaboration LIGO / VIRGO de détecteurs d’ondes gravitationnelles, mais la mission Fermi dans l’espace a également permis d’observer la brève sursaut gamma associée à cet événement. Les observations optiques / IR ont ensuite détecté l’événement «kilonova», ce qui a confirmé la conjecture selon laquelle c’est l’événement de fusion qui est le site de formation d’éléments lourds tels que l’or et le platine.

Artists' image of the structure of the jet emerging from the neutron star merger. Courtesy: NRAO

Bien que le reste central de la fusion reste encore un mystère, la réponse pourrait venir d'observations de suivi dans d'autres bandes de fréquences au cours des prochains mois. Alors que les observations de la fusion dans les réverbères optiques / radio et radio suggéraient un écoulement légèrement énergique immédiatement après, l'explication était probablement que cette rémanence était produite par l'interaction de l'éjecta à travers le milieu interstellaire environnant. Le jet devrait alors «casser» le support pour être détecté, étant donné que l’axe de collimation n’est pas très éloigné de la direction de la Terre.

Les données actuelles fournies par les radiotélescopes de la NRAO (VLBA / VLA / GBT) indiquent que tel est le cas. Lors de l'observation initiale 75 jours après la fusion, le jet continuait d'interagir avec les débris, formant un «cocon» de matériau en expansion. Des observations ultérieures, 230 jours après la fusion, indiquent un jet étroit de 5 degrés de large pointé à 20 degrés de la terre, avec une projection de matière proche de la vitesse de la lumière. Bien que de telles observations soient passionnantes et encourageantes pour l’ensemble de la communauté de l’astrophysique, nous avons besoin de descriptions plus détaillées et cohérentes de toute l’évolution afin de comprendre le processus de lancement d’un jet à partir de fusions d’étoiles à neutrons. Bien que ce ne soit que le début d'un long voyage, nous sommes sans aucun doute un pas de plus vers notre destination, comprenant la nature et l'univers qui nous entoure.