Des astronomes détectent une rare kilonova résultant de la fusion de deux étoiles à neutrons

Des astronomes étudiant des sursauts de rayons gamma de courte durée (GRB en anglais pour gamma-ray bursts) ont détecté une rare explosion de kilonova dans laquelle deux étoiles à neutrons semblent avoir fusionné pour former une étoile à neutrons plus grande appelée magnétar.

Image d’entête : représentation artistique d’une brève rafale de rayons gamma dix fois plus brillants que l’événement de ce type le plus lumineux. (D. Player/ STScI/ NASA/ ESA)

Pour Wen-fai Fong, astrophysicien à l’université de Northwestern, aux États-Unis :

J’étudie ces courtes salves de rayons gamma depuis une dizaine d’années. Juste quand vous pensez les avoir compris, ils vous donnent une autre dimension. L’Univers produit une telle diversité d’explosions.

Les courtes GRB sont de brefs flashs de rayons gamma, annonçant des événements passionnants dans des galaxies lointaines. Ici, donc, la fusion de deux étoiles à neutrons. Comme leur nom l’indique, ces sursauts se produisent rapidement : ils sont là et disparaissent en quelques secondes. Mais ils peuvent être suivis d’une rémanence sous forme de rayons X en passant par des émissions radio et infrarouges.

Cela signifie que lorsqu’un courte GRB est détecté, tout le monde est sur le pont pour faire tourner autant d’instruments astronomiques que possible vers celui-ci, avant que la lueur résiduelle ne s’estompe.

Toujours selon Fong :

C’est un signal qui s’affaiblit rapidement. La lueur s’estompe entre le moment où vous mangez et celui où vous dînez (bien qu’il soit généralement encore possible de l’étudier pendant quelques jours).

Cette rémanence, dit-elle, suggère que certains GRB courts proviennent d’explosions de kilonova, dans lesquelles la fusion des étoiles à neutrons éjecte une partie de la masse de ces étoiles dans l’espace. (Le nom signifie qu’elles sont environ 1000 fois plus puissantes que les explosions de novae stellaires, bien que beaucoup moins puissantes que les explosions de supernovae qui marquent la mort d’étoiles géantes).

Fong compare cela à ce qui se passerait si vous essayiez de faire un smoothie et que vous oubliiez de mettre le couvercle du mixeur, bien que dans ce cas, ce sont des morceaux d’étoiles à neutrons qui sont projetés partout.

Ces neutrons s’unissent rapidement pour former des isotopes instables d’éléments lourds qui se décomposent ensuite rapidement en éléments plus stables, libérant ainsi de la chaleur, de la lumière, des rayons X et des ondes radio. Mais pour le court GRB détecté le 22 mai (appelé GRB 200522A), quelque chose ne correspondait pas au modèle.

Lorsque le télescope spatial Hubble a pu interrompre ses autres observations et se tourner vers la source du GRB 200522A, trois jours et demi après la GRB, les astronomes ont constaté qu’elle émettait 10 fois plus de lumière infrarouge qu’une kilonova normale.

Peu à peu, l’équipe de Fong a réalisé qu’elle avait vu quelque chose de vraiment inhabituel.

Normalement, les fusions d’étoiles à neutrons produisent des trous noirs. Mais la seule explication que son équipe a pu trouver pour expliquer comment une telle fusion pouvait produire une rémanence dix fois trop forte dans l’infrarouge était qu’ils avaient assisté à la naissance d’un magnétar.

Représentation de l’évènement de fusion d’étoiles à neutrons qui a donné naissance à un magnétar.

Les magnétars sont des étoiles à neutrons dont les champs magnétiques sont extrêmement puissants. Comme il tournait rapidement après la collision qui l’a créé, le champ de ce magnétar transférait de l’énergie aux débris créés par l’explosion de kilonova, les réchauffant et les faisant briller exactement de la manière observée par le Hubble.

Dans cette illustration, une puissante rafale de rayons X jaillit d’un magnétar, une version supermagnétisée d’un reste stellaire connut sous le nom d’étoile à neutrons. (NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA))

C’est déjà assez passionnant en soi. Mais même si le GRB 200522A se trouve dans une galaxie très, très lointaine, cette découverte est également pertinente pour notre vie ici sur Terre.

Les scientifiques pensaient autrefois que les réactions nucléaires dans les explosions de supernovae étaient à l’origine de la création d’éléments plus lourds que le fer, dont beaucoup se sont retrouvés plus tard sur des planètes.

Mais cette théorie est dépassée. Aujourd’hui, les scientifiques pensent que si vous avez une bague en or, il y a de fortes chances que ses atomes aient été forgés dans les brefs foyers de quelque chose qui ressemble à une kilonova d’il y a longtemps.

Selon Fong :

Nous pensons qu’une grande partie de nos éléments lourds proviennent de ces fusions neutrons-étoiles.

La prochaine étape sera le lancement du télescope spatial James Webb de la NASA en octobre 2021. Cet instrument, dit-elle, sera suffisamment sensible pour que, s’il y a une autre explosion comme celle de GRB 200522A, il puisse non seulement observer sa rémanence, mais aussi en obtenir un spectre, ce qui permettra de repérer les éléments spécifiques créés dans la kilonova.

L’étude devrait être publiée dans The Astrophysical Journal et disponible en prépublication dans arXiv : : The Broad-band Counterpart of the Short GRB 200522A at z=0.5536: A Luminous Kilonova or a Collimated Outflow with a Reverse Shock? et présentée sur le site de la Northwestern University : Birth of magnetar from colossal collision potentially spotted for first time.