Les cocons des étoiles mourantes pourraient expliquer les transitoires optiques bleus rapides

Depuis leur découverte en 2018, les transitoires optiques bleus rapides (FBOT) ont complètement surpris et complètement confondu les astrophysiciens observationnels et théoriques.

Si chauds qu’ils brillent en bleu, ces objets mystérieux sont le phénomène optique connu le plus brillant de l’univers. Mais avec seulement quelques découvertes jusqu’à présent, les origines des FBOT sont restées insaisissables.

Maintenant, une équipe d’astrophysique de l’Université Northwestern présente une nouvelle explication audacieuse de l’origine de ces curieuses anomalies. En utilisant un nouveau modèle, les astrophysiciens pensent que les FBOT pourraient résulter des cocons de refroidissement actif qui entourent les jets lancés par les étoiles mourantes. Il s’agit du premier modèle astrophysique entièrement cohérent avec toutes les observations liées aux FBOT.

La recherche a été publiée le 11 avril dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Lorsqu’une étoile massive s’effondre, elle peut lancer des écoulements de débris à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Ces écoulements, ou jets, entrent en collision avec les couches qui s’effondrent de l’étoile mourante pour former un « cocon » autour du jet. Le nouveau modèle montre que lorsque le jet pousse le cocon vers l’extérieur, loin du cœur de l’étoile qui s’effondre, il se refroidit, libérant de la chaleur sous forme d’émission FBOT observée.

« Un jet démarre profondément à l’intérieur d’une étoile, puis se fraye un chemin pour s’échapper », a déclaré Ore Gottlieb de Northwestern, qui a dirigé l’étude. « Lorsque le jet se déplace à travers l’étoile, il forme une structure étendue, connue sous le nom de cocon. Le cocon enveloppe le jet, et il continue de le faire même après que le jet s’est échappé de l’étoile, ce cocon s’échappe avec le jet. Lorsque nous avons calculé combien d’énergie le cocon a, il s’est avéré être aussi puissant qu’un FBOT. »

Gottlieb est boursier Rothschild au Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA) de Northwestern. Il a co-écrit l’article avec Sasha Tchekovskoy, membre du CIERA, professeur adjoint de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern.

Le problème de l’hydrogène

Les FBOT (prononcez F-bot) sont un type d’explosion cosmique initialement détecté dans la longueur d’onde optique. Comme leur nom l’indique, les transitoires s’estompent presque aussi rapidement qu’ils apparaissent. Les FBOT atteignent leur luminosité maximale en quelques jours, puis s’estompent rapidement, beaucoup plus rapidement que la montée et la décroissance des supernovae standard.

Après avoir découvert les FBOT il y a à peine quatre ans, les astrophysiciens se sont demandé si les événements mystérieux étaient liés à une autre classe transitoire : les sursauts gamma (GRB). Les explosions les plus fortes et les plus brillantes sur toutes les longueurs d’onde, les GRB sont également associées aux étoiles mourantes. Lorsqu’une étoile massive épuise son carburant et s’effondre dans un trou noir, elle lance des jets pour produire une puissante émission de rayons gamma.

« La raison pour laquelle nous pensons que les GRB et les FBOT pourraient être liés est que les deux sont très rapides – se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière – et qu’ils ont tous deux une forme asymétrique, brisant la forme sphérique de l’étoile », a déclaré Gottlieb. « Mais il y avait un problème. Les étoiles qui produisent des GRB manquent d’hydrogène. On ne voit aucun signe d’hydrogène dans les GRB, alors que dans les FBOT, on voit de l’hydrogène partout. Donc, ça ne pouvait pas être le même phénomène. »

En utilisant leur nouveau modèle, Gottlieb et ses coauteurs pensent avoir trouvé une réponse à ce problème. Les étoiles riches en hydrogène ont tendance à abriter de l’hydrogène dans leur couche la plus externe, une couche trop épaisse pour qu’un jet puisse y pénétrer.

« En gros, l’étoile serait trop massive pour que le jet puisse la traverser », a déclaré Gottlieb. « Ainsi, le jet ne sortira jamais de l’étoile, et c’est pourquoi il ne produit pas de GRB. Cependant, dans ces étoiles, le jet mourant transfère toute son énergie au cocon, qui est le seul composant à s’échapper de l’étoile. Le cocon émettra des émissions FBOT, qui incluront de l’hydrogène. C’est un autre domaine où notre modèle est entièrement cohérent avec toutes les observations FBOT. »

Assembler l’image

Bien que les FBOT brillent dans les longueurs d’onde optiques, ils émettent également des ondes radio et des rayons X. Le modèle de Gottlieb les explique également.

Lorsque le cocon interagit avec le gaz dense entourant l’étoile, cette interaction réchauffe la matière stellaire pour libérer une émission radio. Et lorsque le cocon s’étend suffisamment loin du trou noir (formé à partir de l’étoile effondrée), les rayons X peuvent s’échapper du trou noir. Les rayons X joignent la radio et la lumière optique pour former une image complète de l’événement FBOT.

Alors que Gottlieb est encouragé par les découvertes de son équipe, il dit que davantage d’observations et de modèles sont nécessaires avant que nous puissions définitivement comprendre les origines mystérieuses des FBOT.

« Il s’agit d’une nouvelle classe de transitoires, et nous en savons si peu à leur sujet », a déclaré Gottlieb. « Nous devons en détecter davantage plus tôt dans leur évolution avant de pouvoir comprendre pleinement ces explosions. Mais notre modèle est capable de tracer une ligne entre les supernovae, les GRB et les FBOT, ce qui, à mon avis, est très élégant. »

« Cette étude ouvre la voie à des simulations plus avancées des FBOT », a déclaré Tchekovskoy. « Ce modèle de nouvelle génération nous permettra de connecter directement la physique du trou noir central aux observables, nous permettant de révéler la physique autrement cachée du moteur central FBOT. »