La fusion spectaculaire de deux étoiles à neutrons qui ont généré des ondes gravitationnelles annoncée à l'automne dernier a probablement fait autre chose :donner naissance à un trou noir. Ce trou noir nouvellement engendré serait le trou noir de masse la plus faible jamais trouvé.

Une nouvelle étude a analysé les données de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA prises ces jours-ci, semaines, et des mois après la détection des ondes gravitationnelles par le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) et des rayons gamma par la mission Fermi de la NASA le 17 août, 2017.

Alors que presque tous les télescopes à la disposition des astronomes professionnels ont observé cette source, connu officiellement sous le nom de GW170817, Les rayons X de Chandra sont essentiels pour comprendre ce qui s'est passé après la collision des deux étoiles à neutrons.

D'après les données LIGO, les astronomes ont une bonne estimation que la masse de l'objet résultant de la fusion d'étoiles à neutrons est d'environ 2,7 fois la masse du Soleil. Cela le met sur une corde raide de l'identité, ce qui implique qu'il s'agit soit de l'étoile à neutrons la plus massive jamais trouvée, soit du trou noir de masse la plus faible jamais trouvé. Les précédents détenteurs du record de ce dernier ne représentent pas moins de quatre ou cinq fois la masse du Soleil.

"Alors que les étoiles à neutrons et les trous noirs sont mystérieux, nous en avons étudié beaucoup à travers l'univers à l'aide de télescopes comme Chandra, " a déclaré Dave Pooley de l'Université Trinity à San Antonio, Texas, qui a dirigé l'étude. "Cela signifie que nous avons à la fois des données et des théories sur la façon dont nous nous attendons à ce que de tels objets se comportent dans les rayons X."

Les observations de Chandra sont révélatrices, non seulement pour ce qu'ils ont révélé, mais aussi pour ce qu'ils n'ont pas fait. Si les étoiles à neutrons fusionnaient et formaient une étoile à neutrons plus lourde, alors les astronomes s'attendraient à ce qu'il tourne rapidement et génère un champ magnétique très puissant. Cette, à son tour, aurait créé une bulle en expansion de particules de haute énergie qui entraînerait une émission de rayons X brillants. Au lieu, les données Chandra montrent des niveaux de rayons X qui sont un facteur de quelques à plusieurs centaines de fois inférieurs à ceux attendus pour une rotation rapide, l'étoile à neutrons fusionnée et la bulle associée de particules de haute énergie, ce qui implique qu'un trou noir s'est probablement formé à la place.

Si confirmé, ce résultat montre qu'une recette pour faire un trou noir peut parfois être compliquée. Dans le cas de GW170817, il aurait fallu deux explosions de supernova qui ont laissé derrière elles deux étoiles à neutrons sur une orbite suffisamment étroite pour que le rayonnement des ondes gravitationnelles rapproche les étoiles à neutrons.

« Nous avons peut-être répondu à l'une des questions les plus fondamentales sur cet événement fulgurant :qu'est-ce que cela a fait ? a déclaré le co-auteur Pawan Kumar de l'Université du Texas à Austin. "Les astronomes ont longtemps soupçonné que les fusions d'étoiles à neutrons formeraient un trou noir et produiraient des rafales de rayonnement, mais nous manquions d'arguments solides jusqu'à présent."

Une observation de Chandra deux à trois jours après l'événement n'a pas réussi à détecter une source, mais observations ultérieures 9, 15 et 16 jours après l'événement, a donné lieu à des détections. La source est passée derrière le Soleil peu de temps après, mais un éclaircissement supplémentaire a été observé dans les observations de Chandra environ 110 jours après l'événement, suivi d'une intensité de rayons X comparable après environ 160 jours.

En comparant les observations de Chandra avec celles du Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) de la NSF, Pooley et ses collaborateurs expliquent que l'émission de rayons X observée est entièrement due à l'onde de choc - semblable à un bang sonique d'un avion supersonique - provenant de la fusion se brisant dans le gaz environnant. Il n'y a aucun signe de rayons X résultant d'une étoile à neutrons.

Les affirmations de l'équipe de Pooley peuvent être testées par de futures observations radiographiques et radio. Si le reste s'avère être une étoile à neutrons avec un fort champ magnétique, alors la source devrait devenir beaucoup plus lumineuse aux longueurs d'onde des rayons X et radio dans environ quelques années lorsque la bulle de particules de haute énergie rattrapera l'onde de choc en décélération. S'il s'agit bien d'un trou noir, les astronomes s'attendent à ce qu'il continue à s'affaiblir, ce qui a été récemment observé à mesure que l'onde de choc s'affaiblit.

"GW170817 est l'événement astronomique qui continue de donner, " a déclaré J. Craig Wheeler, un co-auteur de l'étude également de l'Université du Texas. "Nous apprenons tellement sur l'astrophysique des objets connus les plus denses de cet événement unique."

Si des observations de suivi révèlent qu'une étoile à neutrons lourde a survécu, une telle découverte remettrait en cause les théories sur la structure des étoiles à neutrons et leur masse.

« Au début de ma carrière, les astronomes ne pouvaient observer que des étoiles à neutrons et des trous noirs dans notre propre galaxie, et maintenant nous observons ces étoiles exotiques à travers le cosmos, " a déclaré le co-auteur Bruce Gossan de l'Université de Californie à Berkeley. " Quelle période passionnante pour être en vie, de voir des instruments comme LIGO et Chandra nous montrer tant de choses passionnantes que la nature a à offrir."