Les astronomes qui étudient les observations d’archives d’explosions puissantes appelées sursauts gamma courts (GRB) ont détecté des motifs lumineux indiquant la brève existence d’une étoile à neutrons superlourde peu de temps avant qu’elle ne s’effondre dans un trou noir. Cet objet massif et éphémère s’est probablement formé à partir de la collision de deux étoiles à neutrons.
« Nous avons recherché ces signaux dans 700 GRB courts détectés avec l’observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA, le télescope spatial à rayons gamma Fermi et l’observatoire à rayons gamma Compton », a expliqué Cecilia Chirenti, chercheuse à l’Université du Maryland, College Park (UMCP). et le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, qui a présenté les résultats lors de la 241e réunion de l’American Astronomical Society à Seattle. « Nous avons trouvé ces modèles de rayons gamma dans deux sursauts observés par Compton au début des années 1990. »
UN papier décrivant les résultats, dirigé par Chirenti, a été publié le lundi 9 janvier dans la revue scientifique La nature.
Une étoile à neutrons se forme lorsque le cœur d’une étoile massive manque de carburant et s’effondre. Cela produit une onde de choc qui emporte le reste de l’étoile dans une explosion de supernova. Les étoiles à neutrons ont généralement plus de masse que notre Soleil dans une boule de la taille d’une ville, mais au-dessus d’une certaine masse, elles doivent s’effondrer en trous noirs.
Les données de Compton et les simulations informatiques ont révélé que les méga étoiles à neutrons faisaient pencher la balance de 20 % de plus que l’étoile à neutrons la plus massive et mesurée avec précision connue – surnommée J0740 + 6620 – qui pèse près de 2,1 fois la masse du Soleil. Les étoiles à neutrons superlourdes ont également près de deux fois la taille d’une étoile à neutrons typique, soit environ deux fois la longueur de l’île de Manhattan.
Les méga étoiles à neutrons tournent près de 78 000 fois par minute, soit près de deux fois la vitesse de J1748-2446ad, le pulsar le plus rapide jamais enregistré. Cette rotation rapide soutient brièvement les objets contre un nouvel effondrement, leur permettant d’exister pendant quelques dixièmes de seconde seulement, après quoi ils continuent à former un trou noir plus rapidement qu’un clin d’œil.
« Nous savons que de courts GRB se forment lorsque des étoiles à neutrons en orbite s’écrasent ensemble, et nous savons qu’elles finissent par s’effondrer dans un trou noir, mais la séquence précise des événements n’est pas bien comprise », a déclaré Cole Miller, professeur d’astronomie à l’UMCP et co -auteur de l’article. « À un moment donné, le trou noir naissant éclate avec un jet de particules en mouvement rapide qui émet un flash intense de rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique, et nous voulons en savoir plus sur la façon dont cela se développe. »
Cette simulation suit l’onde gravitationnelle et les changements de densité lorsque deux étoiles à neutrons en orbite s’écrasent ensemble. Les couleurs violet foncé représentent les densités les plus faibles, tandis que le jaune-blanc montre les plus élevées. Une tonalité audible et une échelle de fréquence visuelle (à gauche) suivent l’augmentation constante de la fréquence des ondes gravitationnelles à mesure que les étoiles à neutrons se ferment. Lorsque les objets fusionnent à 42 secondes, les ondes gravitationnelles sautent soudainement à des fréquences de milliers de hertz et rebondissent entre deux tonalités primaires (oscillations quasi-périodiques ou QPO). La présence de ces signaux dans de telles simulations a conduit à la recherche et à la découverte de phénomènes similaires dans la lumière émise par de courts sursauts gamma. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA et centre de recherche STAG/Peter Hammond
Les GRB courts brillent généralement pendant moins de deux secondes, mais libèrent une énergie comparable à celle libérée par toutes les étoiles de notre galaxie pendant un an. Ils peuvent être détectés à plus d’un milliard d’années-lumière. La fusion des étoiles à neutrons produit également des ondes gravitationnelles, des ondulations dans l’espace-temps qui peuvent être détectées par un nombre croissant d’observatoires au sol.
Les simulations informatiques de ces fusions montrent que les ondes gravitationnelles présentent un saut soudain de fréquence – dépassant 1 000 hertz – lorsque les étoiles à neutrons fusionnent. Ces signaux sont trop rapides et trop faibles pour être détectés par les observatoires d’ondes gravitationnelles existants. Mais Chirenti et son équipe ont estimé que des signaux similaires pourraient apparaître dans l’émission de rayons gamma des GRB courts.
Les astronomes appellent ces signaux des oscillations quasi-périodiques, ou QPO en abrégé. Contrairement, par exemple, à la sonnerie régulière d’un diapason, les QPO peuvent être composés de plusieurs fréquences proches qui varient ou se dissipent avec le temps. Les QPO des rayons gamma et des ondes gravitationnelles proviennent du tourbillon de matière tourbillonnant lorsque les deux étoiles à neutrons fusionnent.
Bien qu’aucun QPO de rayons gamma ne se soit matérialisé dans les sursauts Swift et Fermi, deux courts GRB enregistrés par Compton’s Burst And Transient Source Experiment (BATSE) le 11 juillet 1991 et le 1er novembre 1993 faisaient l’affaire.
La plus grande surface de l’instrument BATSE lui a donné le dessus pour trouver ces faibles motifs – le scintillement révélateur qui a révélé la présence de méga étoiles à neutrons. L’équipe évalue la probabilité combinée que ces signaux se produisent par hasard à moins de 1 sur 3 millions.
« Ces résultats sont très importants car ils préparent le terrain pour de futures mesures d’étoiles à neutrons hypermassives par des observatoires d’ondes gravitationnelles », a déclaré Chryssa Kouveliotou, présidente du département de physique de l’Université George Washington à Washington, qui n’a pas participé aux travaux.
D’ici les années 2030, les détecteurs d’ondes gravitationnelles seront sensibles aux fréquences kilohertz, fournissant de nouvelles informations sur la courte durée de vie des étoiles à neutrons surdimensionnées. Jusque-là, les observations gamma sensibles et les simulations informatiques restent les seuls outils disponibles pour les explorer.
L’instrument BATSE de Compton a été développé au Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, et a fourni la première preuve convaincante que des sursauts gamma se sont produits bien au-delà de notre galaxie. Après avoir fonctionné pendant près de neuf ans, l’observatoire de rayons gamma de Compton a été désorbité le 4 juin 2000 et détruit lors de son entrée dans l’atmosphère terrestre. Goddard gère les missions Swift et Fermi.
Plus d’information:
Cecilia Chirenti et al, Oscillations quasipériodiques kilohertz dans de courts sursauts gamma, La nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-022-05497-0