Cette image montre la lueur d'une kilonova causée par la fusion de deux étoiles à neutrons. La kilonova, dont la luminosité maximale atteint jusqu'à 10, 000 fois celle d'une nova classique, apparaît comme un point lumineux (indiqué par la flèche) en haut à gauche de la galaxie hôte. La fusion des étoiles à neutrons aurait produit un magnétar, qui a un champ magnétique extrêmement puissant. L'énergie de ce magnétar a illuminé le matériau éjecté de l'explosion. Crédit :NASA, ESA, W. Fong (Université Northwestern), et T. Laskar (Université de Bath, ROYAUME-UNI)
Il y a longtemps et loin à travers l'univers, une énorme explosion de rayons gamma a libéré plus d'énergie en une demi-seconde que le soleil n'en produira au cours de sa durée de vie de 10 milliards d'années.
Après avoir examiné la rafale incroyablement lumineuse avec optique, Radiographie, le proche infrarouge et les longueurs d'onde radio, une équipe d'astrophysique dirigée par la Northwestern University pense avoir potentiellement repéré la naissance d'un magnétar.
Les chercheurs pensent que le magnétar a été formé par la fusion de deux étoiles à neutrons, qui n'a jamais été observé auparavant. La fusion a donné naissance à une brillante kilonova, la plus brillante jamais vue, dont la lumière a finalement atteint la Terre le 22 mai. 2020. La lumière est d'abord apparue sous la forme d'une explosion de rayons gamma, appelé sursaut court de rayons gamma.
"Quand deux étoiles à neutrons fusionnent, le résultat prédit le plus courant est qu'ils forment une étoile à neutrons lourde qui s'effondre dans un trou noir en quelques millisecondes ou moins, " a déclaré Wen-fai Fong de Northwestern, qui a dirigé l'étude. "Notre étude montre qu'il est possible que, pour ce sursaut gamma particulier, l'objet lourd a survécu. Au lieu de s'effondrer dans un trou noir, c'est devenu un magnétar :une étoile à neutrons en rotation rapide qui a de grands champs magnétiques, déversant de l'énergie dans son environnement et créant la lueur très brillante que nous voyons."
La recherche a été acceptée par le Journal d'astrophysique et sera publié en ligne plus tard cette année.
Fong est professeur adjoint de physique et d'astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du CIERA (Centre d'exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique). La recherche a impliqué deux étudiants de premier cycle, trois étudiants diplômés et trois stagiaires postdoctoraux du laboratoire de Fong.
« Un nouveau phénomène se produit »
Après que la lumière a été détectée pour la première fois par l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA, les scientifiques ont rapidement enrôlé d'autres télescopes, dont le télescope spatial Hubble de la NASA, le Very Large Array, le W.M. L'observatoire Keck et le réseau mondial de télescopes de l'observatoire de Las Cumbres, pour étudier les conséquences de l'explosion et sa galaxie hôte.
L'équipe de Fong s'est vite rendu compte que quelque chose n'allait pas.
Par rapport aux observations radiographiques et radio, l'émission dans le proche infrarouge détectée avec Hubble était beaucoup trop brillante. En réalité, il était 10 fois plus lumineux que prévu.
« Au fur et à mesure que les données arrivaient, nous formions une image du mécanisme qui produisait la lumière que nous voyions, " a déclaré le co-chercheur de l'étude, Tanmoy Laskar de l'Université de Bath au Royaume-Uni. "Comme nous avons obtenu les observations de Hubble, nous avons dû changer complètement notre façon de penser, parce que les informations que Hubble a ajoutées nous ont fait réaliser que nous devions abandonner notre pensée conventionnelle et qu'il y avait un nouveau phénomène en cours. Ensuite, nous avons dû comprendre ce que cela signifiait pour la physique derrière ces explosions extrêmement énergétiques. »
Monstre magnétique
Fong et son équipe ont discuté de plusieurs possibilités pour expliquer la luminosité inhabituelle, connue sous le nom de sursaut court de rayons gamma, que Hubble a vu. Les chercheurs pensent que les sursauts courts sont causés par la fusion de deux étoiles à neutrons, des objets extrêmement denses de la masse du soleil comprimés dans le volume d'une grande ville comme Chicago. Alors que la plupart des sursauts gamma courts produisent probablement un trou noir, les deux étoiles à neutrons qui ont fusionné dans ce cas peuvent s'être combinées pour former un magnétar, une étoile à neutrons supermassive avec un champ magnétique très puissant.
Cette illustration montre la séquence de formation d'un kilonova à magnétar, dont la luminosité maximale atteint jusqu'à 10, 000 fois celle d'une nova classique. 1) Deux étoiles à neutrons en orbite se rapprochent de plus en plus. 2) Ils se heurtent et fusionnent, déclenchant une explosion qui libère plus d'énergie en une demi-seconde que le Soleil n'en produira sur l'ensemble de sa durée de vie de 10 milliards d'années. 3) La fusion forme une étoile à neutrons encore plus massive appelée magnétar, qui a un champ magnétique extraordinairement puissant. 4) Le magnétar dépose de l'énergie dans le matériau éjecté, le faisant briller de manière inattendue aux longueurs d'onde infrarouges. Crédit :NASA, ESA, et D. Joueur (STScI)
"Vous avez essentiellement ces lignes de champ magnétique qui sont ancrées à l'étoile qui tourbillonnent à environ 1, 000 fois par seconde, et cela produit un vent magnétisé, " Laskar a expliqué. " Ces lignes de champ en rotation extraient l'énergie de rotation de l'étoile à neutrons formée lors de la fusion, et déposer cette énergie dans l'éjecta de l'explosion, faisant briller le matériau encore plus lumineux. "
"Nous savons que les magnétars existent parce que nous les voyons dans notre galaxie, " a déclaré Fong. "Nous pensons que la plupart d'entre eux se sont formés lors de la mort explosive d'étoiles massives, laissant derrière eux ces étoiles à neutrons hautement magnétisées. Cependant, il est possible qu'une petite fraction se forme dans les fusions d'étoiles à neutrons. Nous n'avons jamais vu de preuve de cela auparavant, encore moins à la lumière infrarouge, rendant cette découverte spéciale."
Kilonova étrangement lumineux
Kilonovae, qui sont généralement 1, 000 fois plus lumineuse qu'une nova classique, devraient accompagner de courts sursauts gamma. Unique à la fusion de deux objets compacts, lueur de kilonovae provenant de la désintégration radioactive des éléments lourds éjectés lors de la fusion, produisant des éléments convoités comme l'or et l'uranium.
"Nous n'avons qu'une seule kilonova confirmée et bien échantillonnée à ce jour, " a déclaré Jillian Rastinejad, co-auteur de l'article et étudiant diplômé du laboratoire de Fong. "Il est donc particulièrement excitant de trouver une nouvelle kilonova potentielle qui semble si différente. Cette découverte nous a donné l'opportunité d'explorer la diversité des kilonovae et de leurs objets restants."
Si la luminosité inattendue vue par Hubble provenait d'un magnétar qui a déposé de l'énergie dans le matériau kilonova, alors, d'ici quelques années, le matériau éjecté de la rafale produira de la lumière qui apparaîtra aux longueurs d'onde radio. Des observations radio de suivi pourraient finalement prouver qu'il s'agissait d'un magnétar, conduisant à une explication de l'origine de tels objets.
"Maintenant que nous avons un candidat très brillant kilonova, " Rastinejad a dit, "Je suis enthousiasmé par les nouvelles surprises que les sursauts gamma courts et les fusions d'étoiles à neutrons nous réservent à l'avenir."
