Un puissant flash de « kilonova » en partie inexpliqué repéré par des astronomes

Issu de la fusion d'étoiles à neutrons.

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Vue d'artiste d'une explosion de kilonova (issue d'une fusion d'étoiles à neutrons). | D. Player/STScI/NASA/ESA

Des astronomes de l’Université Northwestern ont repéré un événement rare en effectuant leurs observations habituelles. Un flash lumineux extrêmement puissant issu, selon leurs conclusions, de la naissance d’un gigantesque magnétar — une étoile à neutrons au champ magnétique extrêmement intense. Et à l’origine de cette naissance, une collision et fusion d’étoiles à neutrons, dont l’événement lumineux est communément appelé « kilonova ». Cependant, l’observation de la lumière résiduelle a révélé quelque chose d’inattendu.

Selon les données obtenues par les chercheurs, le premier signe de cet événement massif a été un sursaut gamma, apparu dans les données de leur télescope d’observation principal le 22 mai, les incitant à passer sur leurs meilleurs instruments afin de continuer d’enquêter. Selon notre compréhension actuelle, les sursauts de rayons gamma (une bouffée de photons gamma apparaissant de manière aléatoire dans le ciel) proviennent généralement de la collision d’étoiles à neutrons. Les chercheurs étaient donc impatients d’observer davantage cet événement cosmique de grande ampleur.

Une étoile à neutrons est majoritairement composée de neutrons, maintenus ensemble par les forces de gravitation. Elle est le résidu issu de l’effondrement gravitationnel du cœur d’une certaine étoile massive, quand elle a épuisé son combustible nucléaire. Une étoile à neutrons est donc très massive et compacte, mais il ne s’agit plus d’une étoile (il n’y a plus de réactions nucléaires, et sa structure est très différente de celle d’une étoile ordinaire).

Les chercheurs savent donc à quoi s’attendre avant l’observation d’un tel événement, impliquant des étoiles à neutrons. Mais au fur et à mesure des observations, les chercheurs ont réalisé qu’il se passait quelque chose d’étrange : le flash lumineux comportait beaucoup plus de lumière infrarouge que prévu, précisément 10 fois plus.

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« Ces observations ne correspondent pas aux explications traditionnelles des courtes salves de rayons gamma », a déclaré Wen-fai Fong, un astronome de l’Université Northwestern dans l’Illinois et auteur principal de l’étude. « Compte tenu de ce que nous savons sur les émissions radio et de rayons X de cette explosion, cela ne correspond tout simplement pas ». L’étude, qui sera publiée dans la revue The Astrophysical Journal, est disponible sur le serveur de préimpression arXiv.org.

Des observations qui ne correspondaient pas aux attentes

Les astronomes ont utilisé une foule d’installations pour étudier l’événement, notamment l’observatoire spatial Swift de la NASA, le Very Large Array au Nouveau-Mexique et l’observatoire Keck à Hawaï, mais c’est le télescope spatial Hubble qui a repéré le rayonnement infrarouge extrêmement brillant de l’explosion, qui a indiqué aux scientifiques qu’il se passait quelque chose de particulièrement étrange…

« Les observations de Hubble ont été pensées pour rechercher l’émission infrarouge qui résulte de la création d’éléments lourds – comme l’or, le platine et l’uranium – lors d’une collision d’étoiles à neutrons par exemple », explique dans un communiqué Edo Berger, un astronome du Centre d’astronomie géré conjointement par l’Université de Harvard et la Smithsonian Institution et co-auteur de l’étude. Comme déjà expliqué, les étoiles à neutrons sont les restes superdenses d’étoiles effondrées, et la brillante lueur résiduelle d’une collision entre deux objets de ce type est appelée « kilonova ».

« Étonnamment, nous avons trouvé une émission infrarouge beaucoup plus brillante que ce à quoi nous nous attendions, ce qui suggère qu’il y avait un apport d’énergie supplémentaire provenant d’un magnétar, qui était le reste de la fusion », a déclaré Berger. « Le fait que nous voyions cette émission infrarouge, et qu’elle soit si brillante, montre que de courtes salves de rayons gamma se forment effectivement à partir de collisions d’étoiles à neutrons, mais, étonnamment, la conséquence de la collision n’est peut-être pas un trou noir, mais plutôt probablement un magnétar ». Un magnétar est une étoile à neutrons dont le champ magnétique est extrêmement intense.

Mais les astronomes se demandent depuis longtemps comment les magnétars deviennent « si magnétiques ». L’observation d’un éventuel événement de formation est donc particulièrement précieuse. « Nous savons que les magnétars existent parce que nous les voyons dans notre galaxie », a déclaré Fong dans un deuxième communiqué. « Nous pensons que la plupart d’entre eux se sont formés lors de la mort explosive d’étoiles massives, laissant derrière elles ces étoiles à neutrons hautement magnétisées. Cependant, il est possible qu’une petite fraction se forme lors de fusions d’étoiles à neutrons ».

Mais jusqu’ici, comme le soulignent les chercheurs, nous n’en avons jamais vu la preuve, et encore moins en lumière infrarouge, ce qui rend cette découverte vraiment particulière. Et cette fois, les chercheurs ont pu voir l’explosion suffisamment tôt pour étudier le pic infrarouge qui s’estompe. « Étonnamment, Hubble a pu prendre une image seulement trois jours après l’explosion », déclare Fong. « Il faut une autre observation pour prouver qu’il y a une contrepartie en déclin associée à la fusion, par opposition à une source statique. Lorsque Hubble a réexaminé la situation à 16 et 55 jours, nous avons su que nous n’avions pas seulement trouvé la source de la décoloration, mais que nous avions également découvert quelque chose de très inhabituel ».

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Animation montrant l’explosion de kilonova issue de la fusion d’étoiles à neutrons :

Source : arXiv

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