Lorsque deux étoiles à neutrons tournent l'une vers l'autre et fusionnent pour former un trou noir - un événement enregistré en 2017 par des détecteurs d'ondes gravitationnelles et des télescopes du monde entier - devient-il immédiatement un trou noir ? Ou faut-il un certain temps pour ralentir avant de s'effondrer gravitationnellement au-delà de l'horizon des événements dans un trou noir ?

Les observations en cours de cette fusion de 2017 par l'observatoire à rayons X Chandra, un télescope en orbite, suggèrent ce dernier :que l'objet fusionné est resté, probablement pendant une seconde seulement, avant de subir un effondrement ultime.

La preuve se présente sous la forme d'une rémanence de rayons X de la fusion, surnommée GW170817, qui ne serait pas attendue si les étoiles à neutrons fusionnées s'effondraient immédiatement en un trou noir. La rémanence peut être expliquée comme un rebond de matière sur les étoiles à neutrons fusionnées, qui ont traversé et chauffé la matière autour des étoiles à neutrons binaires. Ce matériau chaud a maintenant gardé le reste brillant régulièrement plus de quatre ans après que la fusion a jeté le matériau vers l'extérieur dans ce qu'on appelle une kilonova. Les émissions de rayons X d'un jet de matière qui a été détecté par Chandra peu de temps après la fusion seraient autrement en train de diminuer maintenant.

Alors que l'excès d'émissions de rayons X observé par Chandra pourrait provenir de débris dans un disque d'accrétion tourbillonnant et tombant finalement dans le trou noir, l'astrophysicienne Raffaella Margutti de l'Université de Californie à Berkeley favorise l'hypothèse d'effondrement retardé, qui est prédite théoriquement.

"Si les étoiles à neutrons fusionnées devaient s'effondrer directement dans un trou noir sans étape intermédiaire, il serait très difficile d'expliquer cet excès de rayons X que nous voyons en ce moment, car il n'y aurait pas de surface dure pour que les choses rebondissent et voler à grande vitesse pour créer cette rémanence », a déclaré Margutti, professeur agrégé d'astronomie et de physique à l'Université de Berkeley. "Cela tomberait juste dedans. C'est fait. La vraie raison pour laquelle je suis excité scientifiquement est la possibilité que nous voyions quelque chose de plus que le jet. Nous pourrions enfin obtenir des informations sur le nouvel objet compact."

Margutti et ses collègues, dont la première auteure Aprajita Hajela, qui était l'étudiante diplômée de Margutti lorsqu'elle était à l'Université Northwestern avant de déménager à l'UC Berkeley, rapportent leur analyse de la rémanence des rayons X dans un article récemment accepté pour publication dans The Astrophysical Lettres de journal .

La lueur radioactive d'une kilonova

Les ondes gravitationnelles issues de la fusion ont été détectées pour la première fois le 17 août 2017 par l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser avancé (LIGO) et la collaboration Virgo. Des télescopes satellitaires et terrestres ont rapidement suivi pour enregistrer une rafale de rayons gamma et des émissions visibles et infrarouges qui, ensemble, ont confirmé la théorie selon laquelle de nombreux éléments lourds sont produits à la suite de telles fusions à l'intérieur d'éjectas chauds qui produisent une kilonova brillante. La kilonova brille à cause de la lumière émise lors de la désintégration d'éléments radioactifs, comme le platine et l'or, qui sont produits dans les débris de fusion.

Chandra a également pivoté pour observer GW170817, mais n'a vu aucun rayon X jusqu'à neuf jours plus tard, ce qui suggère que la fusion a également produit un jet étroit de matière qui, en entrant en collision avec la matière autour des étoiles à neutrons, a émis un cône de rayons X. qui a initialement manqué la Terre. Ce n'est que plus tard que la tête du jet s'est agrandie et a commencé à émettre des rayons X dans un jet plus large visible de la Terre.

Les émissions de rayons X du jet ont augmenté pendant 160 jours après la fusion, après quoi elles se sont progressivement affaiblies à mesure que le jet ralentissait et se développait. Mais Hajela et son équipe ont remarqué qu'à partir de mars 2020, soit environ 900 jours après la fusion, jusqu'à la fin de 2020, le déclin s'est arrêté et les émissions de rayons X sont restées à peu près constantes en luminosité.

"Le fait que les rayons X aient cessé de s'estomper rapidement était notre meilleure preuve que quelque chose en plus d'un jet est détecté dans les rayons X de cette source", a déclaré Margutti. "Une source complètement différente de rayons X semble être nécessaire pour expliquer ce que nous voyons."

Les chercheurs suggèrent que les rayons X en excès sont produits par une onde de choc distincte des jets produits par la fusion. Ce choc était le résultat de l'effondrement retardé des étoiles à neutrons fusionnées, probablement parce que sa rotation rapide a très brièvement contrecarré l'effondrement gravitationnel. En restant pendant une seconde supplémentaire, le matériau autour des étoiles à neutrons a obtenu un rebond supplémentaire qui a produit une queue très rapide d'éjecta de kilonova qui a créé le choc.

"Nous pensons que l'émission de rémanence de kilonova est produite par un matériau choqué dans le milieu circumbinaire", a déclaré Margutti. "C'est un matériau qui se trouvait dans l'environnement des deux étoiles à neutrons qui a été choqué et chauffé par le bord le plus rapide de l'éjecta de la kilonova, qui entraîne l'onde de choc."

Le rayonnement ne nous atteint que maintenant car il a fallu du temps pour que les éjectas lourds de kilonova soient ralentis dans l'environnement à faible densité et pour que l'énergie cinétique des éjectas soit convertie en chaleur par des chocs, a-t-elle déclaré. C'est le même processus qui produit la radio et les rayons X pour le jet, mais parce que le jet est beaucoup, beaucoup plus léger, il est immédiatement ralenti par l'environnement et brille dans les rayons X et la radio dès les tout premiers temps.

Une autre explication, notent les chercheurs, est que les rayons X proviennent de matériaux tombant vers le trou noir qui s'est formé après la fusion des étoiles à neutrons.

"Ce serait soit la première fois que nous voyions une rémanence de kilonova, soit la première fois que nous voyions de la matière tomber dans un trou noir après une fusion d'étoiles à neutrons", a déclaré le co-auteur Joe Bright, chercheur postdoctoral à l'UC Berkeley. "L'un ou l'autre des résultats serait extrêmement excitant."

Chandra est désormais le seul observatoire encore capable de détecter la lumière de cette collision cosmique. Les observations de suivi par Chandra et les radiotélescopes pourraient cependant faire la distinction entre les explications alternatives. S'il s'agit d'une rémanence de kilonova, on s'attend à ce que l'émission radio soit à nouveau détectée dans les prochains mois ou années. Si les rayons X sont produits par la chute de matière sur un trou noir nouvellement formé, la sortie de rayons X devrait rester stable ou diminuer rapidement, et aucune émission radio ne sera détectée au fil du temps.

Margutti espère que LIGO, Virgo et d'autres télescopes capteront les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques de plus de fusions d'étoiles à neutrons afin que la série d'événements précédant et suivant la fusion puisse être identifiée plus précisément et aider à révéler la physique de la formation des trous noirs. Jusque-là, GW170817 est le seul exemple disponible pour étude.

"Une étude plus approfondie de GW170817 pourrait avoir des implications de grande envergure", a déclaré la co-auteure Kate Alexander, chercheuse postdoctorale également de la Northwestern University. "La détection d'une rémanence de kilonova impliquerait que la fusion n'a pas immédiatement produit un trou noir. Alternativement, cet objet peut offrir aux astronomes une chance d'étudier comment la matière tombe sur un trou noir quelques années après sa naissance."

Margutti et son équipe ont récemment annoncé que le télescope Chandra avait détecté des rayons X dans les observations de GW170817 effectuées en décembre 2021. L'analyse de ces données est en cours. Aucune détection radio associée aux rayons X n'a ​​été rapportée.