La fusion d’étoiles à neutrons pose une nouvelle énigme aux astrophysiciens

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Contre toute attente, l’émission rémanente générée par une collision cosmique devient plus brillante

L’intensité de l’émission de lumière rémanente, générée par la fusion d’étoiles à neutrons détectée en août dernier, continue d’augmenter – à la grande surprise des astrophysiciens qui étudient le résultat de la collision massive qui s’est produite il y a quelque 138 millions d’années-lumière et qui a propulsé des ondes gravitationnelles partout dans l’Univers.

De nouvelles observations réalisées à l’aide du télescope spatial à rayons X Chandra de la NASA, faisant l’objet d’un article publié dans la revue Astrophysical Journal Letters, révèlent que le sursaut gamma résultant de cette collision est plus complexe que les scientifiques l’avaient d’abord cru.

« Habituellement, lorsque nous observons un bref sursaut gamma, le jet d’émission brille pendant une courte période lorsqu’il entre en collision avec le milieu ambiant, puis sa luminosité diminue au fur et à mesure que la quantité d’énergie déversée diminue », explique Daryl Haggard, astrophysicienne à l’Université McGill et membre du Centre de recherche en astrophysique du Québec (CRAQ), dont l’équipe de recherche a dirigé la nouvelle étude. « Celui-ci est différent : il ne s’agit pas d’un simple jet d’émission étroit et ordinaire. »

La théorie du cocon

On pourrait expliquer ces nouvelles observations au moyen de modèles plus complexes des rémanents de la fusion des étoiles à neutrons. L’une des hypothèses propose que la fusion ait généré un jet d’émission ayant chauffé les débris gazeux environnants par le biais d’un choc, créant ainsi un « cocon » chaud autour du jet et brillant pendant plusieurs mois dans le domaine des rayons X et des ondes radio.

Les observations réalisées à l’aide du télescope à rayons X concordent avec celles obtenues par une autre équipe de chercheurs à l’aide de radiotélescopes, et qui montrent aussi une augmentation au fil du temps de la brillance générée au moment de la collision.

Tandis que les radiotélescopes ont pu suivre les changements de l’émission rémanente pendant tout l’automne, les télescopes à rayons X et dans le domaine visible n’ont pu l’observer pendant une période d’environ trois mois, car la source se trouvait alors trop près du Soleil dans le ciel.

« Lorsque la source est sortie de cette zone d’aveuglement céleste au début du mois de décembre, notre équipe de l’observatoire Chandra a saisi l’occasion d’observer ce qui se passait », souligne John Ruan, chercheur postdoctoral à l’Institut spatial de McGill et auteur principal du nouvel article. « Effectivement, l’émission de lumière rémanente s’est révélée plus brillante dans le domaine des rayons X, tout comme elle l’était dans le domaine des ondes radio. »

Mystérieux phénomènes physiques

Cette découverte inattendue a déclenché une véritable ruée chez les astronomes dans le but de comprendre les mécanismes physiques à l’origine de cette émission. « Cette fusion d’étoiles à neutrons ne ressemble en rien à ce que nous connaissions », affirme Melania Nynka, également chercheuse postdoctorale à l’Université McGill. « Pour les astrophysiciens, il s’agit d’un cadeau qui ne cesse de nous réserver des surprises. » Melania Nynka ainsi que des astronomes de l’Université Northwestern et de l’Université de Leicester sont également co-auteurs du nouvel article.

La fusion d’étoiles à neutrons a été détectée pour la première fois le 17 août dernier par l’observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO), situé aux États-Unis. Le détecteur européen Virgo et quelque 70 observatoires spatiaux et terrestres ont contribué à confirmer cette découverte.

Cette découverte marque le début d’une nouvelle ère dans le domaine de l’astronomie. En effet, c’est la première fois que des scientifiques peuvent observer un événement cosmique dans le domaine tant des ondes lumineuses – la base de l’astronomie traditionnelle – que des ondes gravitationnelles, ces déformations de l’espace-temps prédites il y a un siècle par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale. On croit que les fusions d’étoiles à neutrons, des objets parmi les plus denses de l’Univers, sont responsables de la production d’éléments lourds, comme l’or, le platine et l’argent.

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L’article « Brightening X-ray Emission from GW170817/GRB170817A: Further Evidence for an Outflow », par John J. Ruan et coll., a été publié le 18 janvier 2018 dans la revue Astrophysical Journal Lettershttps://doi.org/10.3847/2041-8213/aaa4f3

Cette étude a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies, la Chaire d’astrophysique et de cosmologie Lorne Trottier de l’Université McGill et l’Institut canadien de recherches avancées.

IMAGE : NASA, CXC, McGill, J. Ruan et coll. : On voit ici la contrepartie, dans le domaine des rayons X, de l’onde gravitationnelle GW170817 provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons. L’image de gauche montre l’ensemble des observations faites à l’aide du télescope spatial à rayons X Chandra de la NASA, à la fin d’août et au début de septembre 2017. L’image de droite montre l’ensemble des observations faites à l’aide de ce même télescope, au début de décembre 2017. La contrepartie de l’onde GW170817 est visible dans le coin supérieur gauche de la galaxie hôte, NGC 4993, située à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre. Sa luminosité a presque quadruplé sur une période de trois mois. L’onde GW170817 a été observée pour la première fois le 17 août 2017.

 

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