Les astronomes ont peut-être détecté un “boom sonique” à partir d’une explosion puissante connue sous le nom de Kilonova

L’observatoire à rayons X Chandra de la NASA a collecté des données sur une kilonova – un événement puissant illustré ici qui se produit lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent – associée à GW170817. Il s’agit du premier événement cosmique qui a produit des ondes gravitationnelles et un rayonnement électromagnétique, ou lumière, qui ont été détectés sur Terre. Crédit : données de rayons X de la NASA, CXC et Northwestern Univ./A. Hajela; visuel par NASA / CXC / M. Weiss

Les astronomes ont peut-être détecté un “bang sonique” provenant d’une puissante explosion connue sous le nom de kilonova. Cet événement – appelé GW170817 – est le résultat d’une fusion de deux étoiles à neutrons et est le premier objet pour lequel les deux[{” attribute=””>gravitational waves and electromagnetic radiation, or light, have been detected form Earth. Continued detections of this light by NASA’s Chandra X-ray Observatory—analyzed by a collaboration that includes Penn State researchers—revealed this cosmic phenomenon.

“Chandra has continued to detect electromagnetic radiation from this neutron star merger nearly four years after the event was first detected,” said David Radice, assistant professor of physics and of astronomy and astrophysics at Penn State and a member of the collaboration. “These observations provide important information about what happens after the initial collision, such as when and how the two merged objects might form a black hole.”

A kilonova occurs when two neutron stars – some of the densest objects in the universe – merge. On August 17, 2017, astronomers discovered gravitational waves from such a merger using the Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in the United States and the Virgo detector in Italy, coinciding with a burst of gamma rays. Since then, astronomers have been using telescopes all over the world and in space, including NASA’s Chandra X-ray Observatory, to study GW170817 across the electromagnetic spectrum, which includes X-rays.

“We have entered uncharted territory here in studying the aftermath of a neutron star merger,” said Aprajita Hajela of Northwestern University, who led the new study of GW170817.

Les astronomes pensent qu’après la fusion des étoiles à neutrons, les débris génèrent de la lumière dans le spectre visible et infrarouge à partir de la désintégration d’éléments radioactifs comme le platine et l’or formés dans les débris de la fusion. Cet éclat de lumière s’appelle une kilonova. Dans le cas de GW170817, la lumière visible et l’émission infrarouge ont été détectées plusieurs heures après les ondes gravitationnelles.

La fusion des étoiles à neutrons était très différente dans les rayons X. Juste après l’annonce de la détection initiale de LIGO, les scientifiques ont demandé à Chandra de passer rapidement de sa cible actuelle à GW170817. Au début, ils n’ont vu aucune radiographie de la source, mais le 28 août. Le 26 février 2017, Chandra a de nouveau regardé et a trouvé une source ponctuelle de rayons X.

Cette non-détection de rayons X suivie rapidement d’une détection fournit la preuve d’un jet étroit de particules de haute énergie produit par la fusion d’étoiles à neutrons. Le jet est “hors axe”, c’est-à-dire qu’il ne pointe pas directement vers la Terre. Les chercheurs pensent que Chandra a initialement vu le jet étroit de son côté et n’a donc vu aucun rayon X immédiatement après la détection des ondes gravitationnelles.

Cependant, au fil du temps, le matériau dans le jet a ralenti et s’est élargi en percutant le matériau environnant. Cela a fait que le cône du jet a commencé à s’étendre davantage dans la ligne de visée directe de Chandra, et une émission de rayons X a été détectée.

Depuis le début de 2018, l’émission de rayons X causée par le jet n’a cessé de s’affaiblir à mesure que le jet ralentissait et se développait. L’équipe de recherche a alors remarqué que de mars 2020 à fin 2020, le déclin s’est arrêté et que l’émission de rayons X était à peu près constante en luminosité. C’était un signe significatif.

“Le fait que les rayons X aient cessé de s’estomper rapidement était notre meilleure preuve que quelque chose en plus d’un jet est détecté dans les rayons X dans cette source”, a déclaré la co-auteur Raffaella Margutti de l’Université de Californie à Berkeley. “Une source complètement différente de rayons X semble être nécessaire pour expliquer ce que nous voyons.”

Une des principales explications de cette nouvelle source de rayons X est que les débris en expansion de la fusion ont généré un choc, comme le bang sonique d’un avion supersonique. L’émission produite par le matériau chauffé par le choc s’appelle une rémanence de kilonova. Une autre explication est que les rayons X proviennent de matériaux tombant vers un trou noir qui s’est formé après la fusion des étoiles à neutrons. GW170817 serait la première observation de l’une ou l’autre explication.

“Une étude plus approfondie de GW170817 pourrait avoir des implications de grande envergure”, a déclaré la co-auteur Kate Alexander, également de l’Université Northwestern. « La détection d’une rémanence de kilonova impliquerait que la fusion n’a pas immédiatement produit un trou noir. Alternativement, cet objet peut offrir aux astronomes une chance d’étudier comment la matière tombe sur un trou noir quelques années après sa naissance. »

Pour faire la distinction entre les deux explications, les astronomes continueront de surveiller GW170817 en rayons X et en ondes radio. S’il s’agit d’une rémanence de kilonova, l’émission radio devrait devenir plus brillante avec le temps et être détectée à nouveau dans les prochains mois ou années. Si l’explication implique que de la matière tombe sur un trou noir nouvellement formé, alors la sortie de rayons X devrait rester stable ou diminuer rapidement, et aucune émission radio ne sera détectée au fil du temps. De nouvelles observations Chandra de GW170817 de décembre 2021, que l’équipe analyse actuellement, pourraient aider à résoudre cette question.

“Cette observation ouvre également la voie à une étude plus approfondie”, a déclaré le co-auteur Ashley Villar, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à Penn State. «Lorsque LIGO commencera sa quatrième campagne d’observation, nous espérons trouver plus de kilonovae et vraiment explorer la diversité de ces événements, y compris comment les signatures de masse et d’énergie diffèrent dans la rémanence et comment les composants non thermiques comme la structure du jet peuvent varier. La richesse de cet ensemble de données est essentielle pour éclairer la physique à l’origine de cette diversité. »

Pour plus d’informations sur cette recherche, voir :

Référence : “L’émergence d’une nouvelle source de rayons X à partir de la fusion d’étoiles à neutrons binaires GW170817” par A. Hajela, R. Margutti, JS Bright, KD Alexander, BD Metzger, V. Nedora, A. Kathirgamaraju, B. Margalit , D. Radice, E. Berger, A. MacFadyen, D. Giannios, R. Chornock, I. Heywood, L. Sironi, O. Gottlieb, D. Coppejans, T. Laskar, Y. Cendes, R. Barniol Duran, T. Eftekhari, W. Fong, A. McDowell, M. Nicholl, X. Xie, J. Zrake, S. Bernuzzi, FS Broekgaarden, CD Kilpatrick, G. Terreran, VA Villar, PK Blanchard, S. Gomez, G. Hosseinzadeh, DJ Matthews et JC Rastinejad, 5 avril 2021, Astrophysique> Phénomènes astrophysiques de haute énergie.
arXiv : 2104.02070

Un article décrivant ces résultats paraît dans le dernier numéro de Les lettres du journal astrophysique.

Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le centre de rayons X Chandra du Smithsonian Astrophysical Observatory contrôle les opérations scientifiques depuis Cambridge, Massachusetts, et les opérations aériennes depuis Burlington, Massachusetts.

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