Un éclair de lumière émis par la collision d’étoiles à neutrons a une fois de plus bouleversé notre compréhension du fonctionnement de l’Univers.
L’analyse de la courte rafale de rayons gamma émise lors de la fusion des deux étoiles a révélé que, plutôt que de former un trou noir, comme prévu, le produit immédiat de la fusion était une étoile à neutrons hautement magnétisée bien plus lourde que la masse maximale estimée de l’étoile à neutrons.
Ce magnétar semble avoir persisté pendant plus d’une journée avant de s’effondrer dans un trou noir.
“On ne pense normalement pas qu’une étoile à neutrons aussi massive avec une longue espérance de vie soit possible”, a déclaré l’astronome Nuria Jordana-Mitjans de l’Université de Bath au Royaume-Uni au Guardian. “C’est un mystère pourquoi celui-ci a si longtemps vécu.”
Les étoiles à neutrons sont sur un spectre de la façon dont une étoile peut se retrouver à la fin de sa vie. Pendant des millions ou des milliards (ou potentiellement des billions) d’années, une étoile continuera de rouler, un moteur fusionnant des atomes dans son noyau chaud sous pression.
Finalement, les atomes qu’une étoile peut fusionner s’épuiseront et, à ce stade, tout explosera. L’étoile éjecte sa masse extérieure et, n’étant plus supportée par la pression extérieure fournie par la fusion, le noyau s’effondre sous la pression intérieure de la gravité.
La façon dont nous catégorisons ces noyaux effondrés dépend de la masse de l’objet. Les noyaux d’étoiles qui ont commencé jusqu’à environ 8 fois la masse du Soleil s’effondrent en naines blanches, qui ont une limite de masse supérieure de 1,4 masse solaire, écrasées dans une sphère de la taille de la Terre.
Les noyaux d’étoiles entre 8 et 30 masses solaires se transforment en étoiles à neutrons, entre environ 1,1 et 2,3 masses solaires, dans une sphère d’à peine 20 kilomètres (12 miles) de diamètre). Et les plus grosses étoiles, au-delà de la limite de masse supérieure des étoiles à neutrons, s’effondrent en trous noirs, selon la théorie.
Mais il y a une pénurie très notable de trous noirs en dessous de 5 masses solaires, donc ce qui se passe dans ce régime de masse est en grande partie un mystère.
C’est pourquoi les fusions d’étoiles à neutrons sont si intéressantes pour les astronomes. Ils se produisent lorsque deux étoiles à neutrons se trouvent dans un système binaire et ont atteint le point de désintégration orbitale auquel elles se mélangent inévitablement et deviennent un objet combinant les deux étoiles à neutrons.
La plupart des étoiles à neutrons binaires ont une masse combinée qui dépasse la limite de masse supérieure théorique des étoiles à neutrons. Ainsi, les produits de ces fusions sont susceptibles de s’asseoir solidement dans cet écart de masse étoile à neutrons-trou noir.
Lorsqu’elles entrent en collision, les étoiles à neutrons binaires libèrent une bouffée de rayonnement à haute énergie connue sous le nom de bouffée de rayons gamma de courte durée. Les scientifiques avaient pensé que ceux-ci ne pouvaient être émis que lors de la formation d’un trou noir.
Mais exactement comment les étoiles à neutrons fusionnées se transforment en un trou noir a été une sorte de casse-tête. Le trou noir se forme-t-il instantanément, ou les deux étoiles à neutrons produisent-elles une étoile à neutrons très lourde qui s’effondre ensuite en un trou noir très rapidement, pas plus de quelques centaines de millisecondes après la fusion ?
GRB 180618A était un sursaut gamma de courte durée détecté en juin 2018, une lumière qui avait parcouru 10,6 milliards d’années pour nous atteindre. Jordana-Mitjans et ses collègues ont voulu examiner de plus près la lumière émise par cet objet : la rafale elle-même, l’explosion de la kilonova et la rémanence de plus longue durée.
Mais, quand ils ont regardé le rayonnement électromagnétique produit par l’événement au fil du temps, quelque chose n’allait pas.
L’émission optique de la rémanence a disparu 35 minutes après le sursaut gamma. L’équipe a découvert que cela était dû au fait qu’il se développait à une vitesse proche de la lumière, accélérée par une source d’énergie continue.
Cela correspondait non pas à un trou noir, mais à une étoile à neutrons. Et pas n’importe quelle étoile à neutrons. Cela semblait être ce que nous appelons un magnétar : un champ magnétique 1 000 fois plus puissant que celui d’une étoile à neutrons ordinaire et un quadrillion de fois plus puissant que celui de la Terre. Et il a duré plus de 100 000 secondes (près de 28 heures).
“Pour la première fois”, déclare Jordana-Mitjans, “nos observations mettent en évidence plusieurs signaux d’une étoile à neutrons survivante qui a vécu au moins un jour après la mort de l’étoile à neutrons binaire d’origine.”
Ce qui aurait pu aider le magnétar à vivre aussi longtemps n’est pas clair. Il est possible que le champ magnétique lui ait apporté un peu d’aide, en lui fournissant une traction vers l’extérieur qui l’a empêché de s’effondrer complètement, du moins pendant un petit moment.
Quel qu’en soit le mécanisme – et cela va certainement justifier une enquête plus approfondie – les travaux de l’équipe montrent que les étoiles à neutrons supramassives sont capables de lancer des sursauts gamma de courte durée, et que nous ne pouvons plus supposer la présence d’un trou noir.
“De telles découvertes sont importantes car elles confirment que les étoiles à neutrons naissantes peuvent alimenter certains GRB de courte durée et les émissions lumineuses à travers le spectre électromagnétique qui ont été détectées les accompagnant”, a déclaré Jordana-Mitjans.
“Cette découverte peut offrir une nouvelle façon de localiser les fusions d’étoiles à neutrons, et donc les émetteurs d’ondes gravitationnelles, lorsque nous recherchons des signaux dans le ciel.”
La recherche a été publiée dans The Astrophysical Journal.
