La fusion d’étoiles à neutrons a propulsé un jet de matière à une vitesse qui paraissait impossible à atteindre

La fusion spectaculaire des étoiles à neutrons que les astronomes ont observée l’an dernier (lien ci-dessous) a généré un jet de matière qui semblait se déplacer 4 fois plus vite que la lumière, selon une nouvelle étude.

Selon les chercheurs :

Les lois de la physique nous disent que rien ne peut voyager plus vite dans l’espace que la lumière. Ainsi, le mouvement surluminal était une illusion, causée par la vitesse du jet (encore très rapide) et le fait qu’il a explosé presque directement sur nous.

Image d’entête : représentation artistique du jet émis par la collision des étoiles à neutrons. (James Josephides/ Swinburne University of Technology)

Selon Adam Deller, coauteur de l’étude à l’université technologique de Swinburne en Australie :

D’après notre analyse, ce jet est très probablement très petit, au maximum de 5 degrés de large, et a été pointé à seulement 20 degrés de la direction de la Terre.

Mais pour correspondre à nos observations, le matériau dans le jet doit aussi être projeté vers l’extérieur à plus de 97 % de la vitesse de la lumière.

Deller et ses collègues, dirigés par Kunal Mooley, du National Radio Astronomy Observatory (NRAO – Etats-Unis) et du California Institute of Technology à Pasadena, ont utilisé divers radiotélescopes pour étudier les conséquences de la collision des étoiles à neutrons, un événement historique connu sous la désignation de GW170817.

Représentation artistique de deux étoiles à neutrons fusionnants. (Ana Berry/ SkyWorks Digital/ Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

GW170817 fut la première collision documentée de deux étoiles à neutrons, les restes super denses d’étoiles massives qui sont devenues des supernovae dans leur explosion. GW17081717, qui s’est produit à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre, a également ouvert l’ère de « l’astronomie multi-messageurs » : ce fut le premier événement de ce type détecté à la fois par des ondes gravitationnelles (les ondulations dans l’espace-temps prédites par Albert Einstein il y a un siècle) et par le rayonnement électromagnétique. La désignation GW17080817, soit dit en passant, est un clin d’œil à ces ondes gravitationnelles, ainsi que la date à laquelle les astronomes ont observé l’événement, le 17 août 2017.

Les scientifiques pensent que la fusion a généré une puissante explosion qui a éjecté un obus de matière loin dans l’espace. À l’intérieur de cette coquille, les étoiles à neutrons fusionnées ont créé un trou noir unique, qui a commencé à aspirer beaucoup de gaz et de poussière. Ce matériau a formé un disque à rotation rapide autour du trou noir. Peu de temps après, des jets jumeaux ont commencé à exploser à partir des pôles de ce disque, selon les membres de l’équipe de recherche.

Représentation artistique des jets super rapides jaillissant du trou noir créé par la fusion de deux étoiles à neutrons, un événement spectaculaire observé en août 2017. (D. Berry/ O. Gottlieb/ K. Mooley/ G. Hallinan/ NRAO/ AUI/ NSF)

On ne savait pas si ces jets avaient percé la coquille de débris créée par l’explosion initiale. Mais les observations faites par Mooley et son équipe, 75 jours et 230 jours après la détection initiale de GW170817, indiquent que cela s’est effectivement produit.

Au début, les jets ont interagi avec les débris expulsés pour former une sorte de cocon, qui se déplaçait beaucoup plus lentement que les jets eux-mêmes. Mais les jets se sont finalement libérés dans l’espace interstellaire.

Cette illustration montre les conséquences de la fusion des étoiles à neutrons. L’éjection d’une première explosion a formé un projectile autour du trou noir formé par la fusion. Un jet de matière propulsé par un disque entourant le trou noir a d’abord interagi avec la matière éjectée pour former un large « cocon ». Plus tard, le jet a fait irruption pour émerger dans l’espace interstellaire, où son mouvement extrêmement rapide est devenu apparent. (Sophia Dagnello/ NRAO/ AUI/ NSF)

Selon le coauteur de l’étude, Ore Gottlieb, un théoricien à l’université de Tel-Aviv en Israël :

Notre interprétation est que le cocon a dominé l’émission radio jusqu’à environ 60 jours après la fusion, et à des moments plus tardifs, l’émission était dominée par le jet.

Passons maintenant à la partie “plus rapide que la lumière” : au cours des 155 jours qui se sont écoulés entre les deux observations, le jet pointant vers la Terre a semblé faire un bond en avant de deux années-lumière, une distance qui suggère qu’il se déplaçait à 4 fois la vitesse de la lumière. Mais encore une fois, ce n’était qu’une illusion.

Les nouveaux résultats suggèrent que les fusions d’étoiles à neutrons sont d’importantes sources de sursauts gamma de courte durée, selon les chercheurs dans leur étude. Et ils ajoutent que les jets générés par la fusion doivent être presque alignés avec la Terre pour que ces éruptions de lumière à haute énergie puissent être détectées.

Selon Joe Pesce, directeur du programme National Science Foundation pour le NRAO :

L’événement de la fusion était important pour un certain nombre de raisons, et il continue de surprendre les astronomes avec encore plus d’informations. Les jets sont des phénomènes énigmatiques vus dans un certain nombre d’environnements, et maintenant ces observations fascinantes dans la partie radio du spectre électromagnétique nous permettent de les comprendre et de comprendre comment ils fonctionnent.

L’étude publiée dans Nature : Superluminal motion of a relativistic jet in the neutron-star merger GW170817 et présentée sur le site du Caltech : Superfast Jet Observed Streaming Away from Stellar Collision et sur le site du NRAO : Radio Observations Confirm Superfast Jet of Material From Neutron Star Merger.