Parfois, les astronomes découvrent des objets dans le ciel que nous ne pouvons pas facilement expliquer. Dans notre nouvelle recherche, publiée dans Science, nous rapportons une telle découvertece qui est susceptible de susciter des discussions et des spéculations.
Les étoiles à neutrons font partie des objets les plus denses de l’univers. Aussi compacts qu’un noyau atomique, mais aussi grands qu’une ville, ils repoussent les limites de notre compréhension de la matière extrême. Plus une étoile à neutrons est lourde, plus elle risque de s’effondrer pour devenir quelque chose d’encore plus dense : un trou noir.
Ces objets astrophysiques sont si denses et leur attraction gravitationnelle si forte que leurs noyaux, quels qu’ils soient, sont en permanence cachés de l’univers par des horizons d’événements : des surfaces d’une obscurité parfaite d’où la lumière ne peut s’échapper.
Si nous voulons un jour comprendre la physique au point de bascule entre les étoiles à neutrons et les trous noirs, nous devons trouver des objets à cette frontière. Il faut notamment trouver des objets pour lesquels on peut effectuer des mesures précises sur de longues périodes de temps. Et c’est précisément ce que nous avons découvert : un objet qui n’est évidemment ni une étoile à neutrons ni un trou noir.
C’était en regardant au plus profond de l’amas d’étoiles NGC 1851 que nous avons repéré ce qui semble être une paire d’étoiles offrant une nouvelle vision des extrêmes de la matière dans l’univers. Le système est composé d’un pulsar millisecondeun type d’étoile à neutrons à rotation rapide qui balaie des faisceaux de lumière radio à travers le cosmos pendant sa rotation, et un objet massif et caché de nature inconnue.
L’objet massif est sombre, ce qui signifie qu’il est invisible à toutes les fréquences de lumière, de la radio aux bandes optiques, aux rayons X et aux rayons gamma. Dans d’autres circonstances, cela rendrait impossible toute étude, mais c’est ici que le pulsar milliseconde nous vient en aide.
Les pulsars millisecondes s’apparentent à des horloges atomiques cosmiques. Leurs spins sont incroyablement stables et peuvent être mesurés avec précision en détectant l’impulsion radio régulière qu’ils créent. Bien qu’intrinsèquement stable, le spin observé change lorsque le pulsar est en mouvement ou lorsque son signal est affecté par un fort champ gravitationnel. En observant ces changements, nous pouvons mesurer les propriétés des corps en orbite avec des pulsars.
Notre équipe internationale d’astronomes utilise le Radiotélescope MeerKAT en Afrique du Sud pour effectuer de telles observations du système, appelées NGC 1851E.
Celles-ci nous ont permis de détailler précisément les orbites des deux objets, montrant que leur point de rapprochement le plus proche change avec le temps. De tels changements sont décrits par la théorie de la relativité d’Einstein et la vitesse d’un changement nous renseigne sur la masse combinée des corps du système.
Nos observations ont révélé que le système NGC 1851E pèse presque quatre fois plus que notre soleil et que son sombre compagnon était, comme le pulsar, un objet compact, bien plus dense qu’une étoile normale. Les étoiles à neutrons les plus massives pèsent environ deux masses solaires, donc s’il s’agissait d’un système d’étoiles à neutrons doubles (systèmes bien connus et étudiés), il devrait alors contenir deux des étoiles à neutrons les plus lourdes jamais trouvées.
Pour découvrir la nature du compagnon, il faudrait comprendre comment la masse du système était répartie entre les étoiles. En utilisant toujours la relativité générale d’Einstein, nous pourrions modéliser le système en détail, trouvant que la masse du compagnon se situe entre 2,09 et 2,71 fois la masse du soleil.
La masse du compagnon s’inscrit dans la « écart de masse du trou noir » qui se situe entre les étoiles à neutrons les plus lourdes possibles, estimées à environ 2,2 masses solaires, et les trous noirs les plus légers pouvant être formés à partir d’un effondrement stellaire, autour de 5 masses solaires. La nature et la formation des objets dans cette lacune constituent une question en suspens en astrophysique.
Candidats possibles
Alors qu’avons-nous trouvé exactement ?
Une possibilité séduisante est que nous ayons découvert un pulsar en orbite autour des restes d’une fusion (collision) de deux étoiles à neutrons. Une telle configuration inhabituelle est rendue possible par la densité des étoiles dans NGC 1851.
Sur cette piste de danse stellaire bondée, les stars virevolteront les unes autour des autres, échangeant leurs partenaires dans une valse sans fin. Si deux étoiles à neutrons sont projetées trop près l’une de l’autre, leur danse prendra fin de manière cataclysmique.
Le trou noir créé par leur collision, qui peut être beaucoup plus léger que ceux créés par l’effondrement des étoiles, est alors libre de se déplacer dans l’amas jusqu’à ce qu’il trouve une autre paire de danseurs dans la valse et, assez grossièrement, s’insère, expulsant le partenaire le plus léger. Dans le processus. C’est ce mécanisme de collisions et d’échanges qui pourrait donner naissance au système que nous observons aujourd’hui.
Simulation de l’interaction à trois corps qui aurait produit le système NGC 1851E.
Nous n’en avons pas encore fini avec ce système. Des travaux sont déjà en cours pour identifier de manière concluante la véritable nature du compagnon et révéler si nous avons découvert le trou noir le plus léger ou l’étoile à neutrons la plus massive – ou peut-être ni l’un ni l’autre.
À la frontière entre les étoiles à neutrons et les trous noirs, il est toujours possible qu’un nouvel objet astrophysique, encore inconnu, existe.
De nombreuses spéculations suivront certainement cette découverte, mais ce qui est déjà clair, c’est que ce système est extrêmement prometteur lorsqu’il s’agit de comprendre ce qui arrive réellement à la matière dans les environnements les plus extrêmes de l’univers.
Cet article est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.