Un jet de matière « supraluminique » issu d’une collision d’étoiles à neutrons

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Vue d’artiste de deux étoiles à neutrons entrant en collision. | Elizabeth Wheatley/STScI
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En août 2017, les astronomes du monde entier ont observé attentivement la fusion d’un système binaire d’étoiles à neutrons. Cet événement rare et impressionnant, nommé GW1708171, a libéré une incroyable quantité d’énergie, comparable à l’explosion d’une supernova. La rémanence du phénomène a mis en évidence un jet de matière qui semblait bien plus rapide que la lumière elle-même !

Les étoiles à neutrons sont des objets extrêmement denses, résultant de l’effondrement gravitationnel d’étoiles massives — qui sont à la fois trop petites pour former un trou noir et trop grandes pour devenir une naine blanche. Ainsi, lorsque deux de ces objets ultra-compacts entrent en collision, ils perturbent largement l’espace-temps autour d’eux : l’événement GW1708171 fut la première détection combinée d’ondes gravitationnelles et de rayonnement gamma provenant d’une fusion d’étoiles à neutrons.

Les conséquences de cette fusion ont été observées collectivement par 70 observatoires du monde entier, terrestres et spatiaux, sur une large bande du spectre électromagnétique — ce qui a permis d’améliorer notre compréhension de ces collisions spectaculaires. L’événement a notamment généré un jet de matière se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Grâce au télescope Hubble, qui a pu pointer cette zone de l’espace quelques jours seulement après la collision, les astronomes ont pu mesurer avec précision la vitesse de ce jet.

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Une illusion de vitesse supraluminique

Si l’événement a eu lieu en 2017, il a fallu plusieurs années aux scientifiques pour trouver un moyen d’analyser les données de Hubble et des autres télescopes. Les résultats de ces investigations viennent de paraître dans Nature. Les auteurs ont utilisé les données de Hubble, ainsi que celles du satellite Gaia de l’Agence spatiale européenne et des radiotélescopes de l’interférométrie à très longue base (VLBI), pour atteindre une précision extrême. « Il a fallu des mois d’analyse minutieuse des données pour réaliser cette mesure », a déclaré Jay Anderson, du Space Telescope Science Institute de Baltimore.

En combinant les différentes observations, ils ont pu localiser précisément le site de l’explosion et sont parvenus à reconstituer le scénario. La galaxie hôte (NGC 4993) se situe à 41 mégaparsecs de la Terre. Les deux étoiles à neutrons se sont effondrées en un trou noir, qui a irrémédiablement attiré la matière à lui. Le disque d’accrétion ainsi formé, en rotation rapide, a généré des jets se déplaçant vers l’extérieur à partir des pôles.

Le jet ultra rapide suivi par les astronomes a percuté, puis balayé la matière se trouvant sur son chemin, traversant la coquille en expansion constituée des débris de l’explosion. Les données collectées par Hubble (8 et 159 jours après la fusion) ont montré que ce jet se déplaçait à une vitesse apparente de sept fois la vitesse de la lumière ! Les observations radio, réalisées 75 jours et 230 jours après la fusion, montrent qu’il a ensuite ralenti à une vitesse apparente quatre fois supérieure à celle de la lumière.

Bien entendu, selon les lois de la physique, ceci est impossible, car rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière. Cette vitesse supraluminique est en réalité une illusion, liée à notre angle d’observation.

Un moyen de déterminer le taux d’expansion de l’Univers

Le jet se dirige vers la Terre à une vitesse proche de celle de la lumière, et la lumière qu’il émet a de moins en moins de distance à parcourir à mesure qu’il se rapproche de la Terre. « C’est comme si le jet poursuivait sa propre lumière », expliquent les chercheurs. En réalité, il s’est écoulé plus de temps depuis l’émission de la lumière par le jet que ne le pense l’observateur. « Cela entraîne une surestimation de la vitesse de l’objet qui, dans ce cas, semble dépasser la vitesse de la lumière », conclut l’équipe.

Pas de jet supraluminique donc, mais une vitesse tout de même impressionnante : les mesures révèlent que le jet se déplaçait au moins à 99,97 % de la vitesse de la lumière lorsqu’il a été émis !

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Ces résultats renforcent le lien, jusqu’à présent présumé, entre les fusions d’étoiles à neutrons et les sursauts gamma (GRB) de courte durée : les chercheurs ont prouvé ici que cette collision cosmique était bien à l’origine d’un jet relativiste, typique des GRB. « Nous avons démontré dans ce travail que l’astrométrie de précision avec des télescopes spatiaux optiques et infrarouges est un excellent moyen de mesurer les mouvements propres des jets dans les fusions d’étoiles à neutrons », écrivent-ils dans leur article.

Ces travaux ouvrent ainsi la voie à des études plus précises des fusions d’étoiles à neutrons, qui sont détectées sur Terre par les observatoires d’ondes gravitationnelles. Les scientifiques espèrent collecter suffisamment de données à l’avenir sur les jets relativistes pour déterminer plus précisément le taux d’expansion de l’Univers — car il existe actuellement une différence inexplicable entre les valeurs de la constante de Hubble mesurées via deux méthodes distinctes.

« Le télescope spatial James Webb devrait être capable de réaliser une astrométrie bien meilleure que celle réalisée avec le télescope spatial Hubble, en raison de la plus grande surface collectrice et de la plus petite taille des pixels », notent les chercheurs. Il ne reste donc plus qu’à attendre que l’instrument capture une nouvelle collision d’étoiles à neutrons pour tenter de résoudre le mystère.

Source : K. Mooley et al., Nature

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