L’impressionnante onde gravitationnelle qui nous a donné la possibilité d’obtenir des images de la collision d’étoiles à neutrons est un véritable cadeau astronomique, et il ne cesse de nous procurer davantage d’éléments à étudier. En effet, grâce à l’onde gravitationnelle générée, des chercheurs ont pu découvrir le trou noir possédant la plus petite masse jamais détectée pour ce type d’objet.

Les ondes gravitationnelles provenant des fusions massives naissent avant la collision des objets, alors quand le signal de GW170817 (fusion de deux étoiles à neutrons) a été détecté en août 2017, tous les télescopes disponibles dans le monde se sont tournés dans sa direction pour observer ce qui se passait, à quelques 130 millions d’années-lumière de la Terre.

L’un de ces télescopes n’était autre que l’Observatoire de rayons X Chandra de la NASA, en orbite autour de la Terre. Bien entendu, il n’a pas seulement capturé l’événement lui-même : le télescope a continué à observer GW170817 pendant des mois après la collision détectée, recueillant les données de rayons X, qui révéleraient la dynamique complexe se produisant dans l’objet nouvellement créé.

Les détections d’ondes gravitationnelles antérieures à GW170817 étaient beaucoup plus massives, se produisant entre des paires de trous noirs. Cela signifie que les objets résultant de ces collisions seraient des trous noirs plus massifs. Mais avec GW170817, le résultat était un peu moins certain, car les étoiles à neutrons et les trous noirs sont tous deux des points d’aboutissement du cycle de vie d’une étoile de grande masse.

Une fois que le noyau d’une étoile a fusionné pour devenir du fer, il comprime les protons et les électrons en neutrons et neutrinos. Les neutrinos s’échappent, mais les neutrons sont compactés de manière très intense dans un noyau faisant seulement entre 10 à 20 kilomètres de diamètre.

Il a été théorisé que si ce noyau est inférieur à environ trois masses stellaires, la pression de cette densité peut soutenir une étoile à neutrons. Si par contre la masse du noyau est supérieure à trois masses solaires, il s’effondre en trou noir. Les étoiles à neutrons impliquées dans GW170817 étaient très petites : seulement 1.1 et 1.6 masse solaire et quand elles se sont combinées, elles ont généré un objet qui ferait environ 2.7 masses solaires.

C’est donc inférieur à la limite des 3 masses solaires. Mais c’est là que les choses se corsent : en réalité, nous n’avons jamais observé une étoile à neutrons faisant plus de 2.3 masses solaires, ou un trou noir ayant une masse inférieure à 3.7-5 masses solaires. Alors, étant donné que les données indiquent des valeurs qui se situent entre ces deux limites, il s’agit là d’un autre mystère de la science.

Cela signifie que GW170817 pourrait être une très grande étoile à neutrons, ou un très petit trou noir, et les astronomes se penchent plutôt vers cette dernière option.

« Tandis que les étoiles à neutrons et les trous noirs sont mystérieux, nous en avons étudié beaucoup à travers l’Univers en utilisant des télescopes comme Chandra », explique l’astrophysicien Dave Pooley de l’Université Trinity à San Antonio, au Texas (USA). « Cela signifie que nous avons à la fois des données et des théories sur la manière dont nous nous attendons à ce que de tels objets se comportent dans les rayons X », ajoute-t-il.

Les données radiographiques suggèrent que GW170817 serait déjà devenu un trou noir au 107ème jour après l’événement. En effet, s’il s’était transformé en une étoile à neutrons lourds, il aurait commencé à tourner rapidement sur lui-même, ce qui aurait généré un très fort champ magnétique qui à son tour aurait généré une bulle de particules hautement énergétiques en expansion, émettant un signal de rayons X qui apparaîtrait comme étant très brillant.

La luminosité détectée par Chandra était des centaines de fois inférieure à ce que l’on pouvait attendre dans ce scénario. À 110 jours, l’objet s’est éclairci une première fois, puis une deuxième fois à 160 jours. Ceci est cohérent avec la conclusion de l’équipe : « Nous avons peut-être répondu à l’une des questions les plus fondamentales sur cet éblouissant événement : qu’est-ce que cela a provoqué ? », explique l’astronome Pawan Kumar de l’Université du Texas, à Austin. « Les astronomes ont longtemps soupçonné que les fusions d’étoiles à neutrons formeraient un trou noir et produiraient des éclats de radiations, mais nous n’avions pas de cas concret jusqu’à maintenant », ajoute-t-il.

Selon les chercheurs, ce rayonnement émane très probablement d’une onde de choc provoquée par la fusion alors qu’elle entre en collision avec le gaz environnant, précédemment éjecté des étoiles à neutrons.

S’il y a une étoile à neutrons à l’intérieur, cela deviendra clair dans quelques années : la bulle de particules dépassera l’onde de choc qui décélère, et émettra un rayonnement X. Mais, s’il s’agit d’un trou noir, comme prévu par les chercheurs, alors cela n’arrivera pas.

D’une manière ou d’une autre, l’analyse des données radiographiques fournira un point de départ pour les observations futures. Et quoi qu’il en soit, cet objet va battre des records et fournir de nouvelles informations sur les trous noirs et les étoiles à neutrons.

Sources : Astrophysical Journal Letters, Chandra

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