Les kilonovae sont extraordinairement rares. Les astronomes pensent qu’il n’y en a qu’une dizaine dans la Voie lactée. Mais ils sont extraordinairement puissants et produisent des éléments lourds comme l’uranium, le thorium et l’or.
Habituellement, les astronomes les repèrent après qu’ils ont fusionné et émis de puissants sursauts gamma (GRB). Mais les astronomes utilisant le télescope SMARTS disent avoir repéré un progéniteur kilonova pour la première fois.
Une explosion de kilonova se produit lorsque deux étoiles à neutrons, ou une étoile à neutrons et un trou noir, fusionnent. Les étoiles à neutrons sont les restes stellaires d’étoiles massives qui explosent en supernovae. Ce sont les objets astronomiques les plus petits et les plus denses que nous connaissions.
Les astronomes ont repéré les étoiles progénitrices de la kilonova à environ 11 400 années-lumière. Ils sont nommés CPD-29 2176 et ont été repérés pour la première fois avec l’observatoire Swift de la NASA. D’autres observations avec le télescope SMARTS de 1,5 mètre à l’observatoire interaméricain de Cerro Tololo au Chili ont révélé plus de données.
Les résultats se trouvent dans un article intitulé “Un binaire à rayons X de haute masse descendu d’une supernova ultra-dépouillée”. Il est publié dans la revue Nature. L’auteur principal est Noel D. Richardson, professeur adjoint au département de physique et d’astronomie de l’Université aéronautique Embry-Riddle.
CPD-29 2176 n’est pas encore une paire d’étoiles à neutrons. L’une d’elles est une étoile à neutrons, et l’autre est une étoile massive en passe d’exploser en supernova et de laisser derrière elle une étoile à neutrons. Le décor est planté pour une kilonova dans environ un million d’années, probablement plus tard.
Mais pour que la paire d’étoiles à neutrons fusionne en une kilonova à l’avenir, la deuxième étoile doit exploser en un type particulier de supernova appelé un supernova ultra dépouillée. L’une des raisons pour lesquelles les kilonovae sont si rares est que les supernovae ultra-striées sont si rares. Et si ce n’est pas assez rare, l’étoile à neutrons existante a également dû exploser sous la forme d’une supernovae ultra-striée.
Lorsqu’une supernova (SN) typique explose, elle libère une énorme quantité d’énergie. L’explosion peut expulser son compagnon étoile à neutrons du système, éliminant ainsi la voie vers une kilonova potentielle. Finalement, le SN laissera derrière lui une étoile à neutrons, mais ce sera seul, et il n’y aura aucune possibilité pour deux étoiles à neutrons de fusionner et d’exploser en kilonovae.
Mais une supernova ultra-dépouillée (USSN) est différente. Ultra-dépouillé signifie que le SN a subi une perte de masse extrême avant d’exploser. La masse est perdue pour son compagnon stellaire, et sans cette masse, l’explosion du SN n’est pas assez puissante pour expulser son compagnon lorsque le SN explose. Ce sont des détails importants car la plupart des étoiles suffisamment massives pour exploser comme SN existent en paires binaires.
Les interactions entre la paire d’étoiles avant l’explosion d’une étoile en tant que SN sont essentielles à toute kilonova éventuelle. Les changements de masse, la rotation stellaire et la combustion nucléaire déterminent tous la masse finale du noyau du SN. Dans les bonnes conditions mais rares, il crée une supernova ultra-dépouillée.
C’est ce qui se passe dans CPD-29 2176, et les chercheurs doutent que le SN ait suffisamment d’énergie lorsqu’il explose pour éjecter son compagnon étoile à neutrons. Non seulement l’étoile massive actuelle doit exploser en tant qu’USSN, mais l’étoile à neutrons existante l’a fait aussi, sinon lorsqu’elle a explosé en tant que SN, elle aurait expulsé son compagnon stellaire. Deux USSN sont donc nécessaires.
« L’étoile à neutrons actuelle devrait se former sans éjecter sa compagne du système. Une supernova ultra-dépouillée est la meilleure explication de la raison pour laquelle ces étoiles compagnes sont sur une orbite si étroite », a déclaré l’auteur principal Richardson. “Pour créer un jour une kilonova, l’autre étoile devrait également exploser en tant que supernova ultra-dépouillée afin que les deux étoiles à neutrons puissent éventuellement entrer en collision et fusionner.” Cela explique pourquoi les kilonovae sont si rares. Le décapage de masse et les explosions SN affaiblies sont des conditions préalables.
Les chercheurs ont expliqué comment le système s’est développé jusqu’à présent et ce qui se passera probablement à l’avenir.
Premièrement, deux étoiles bleues massives forment une paire binaire. Les étoiles n’ont jamais la même taille; on est toujours plus massif. Au fur et à mesure que le plus massif approche de la fin de sa vie et gonfle, le plus petit compagnon est capable de siphonner une partie du matériau de la plus grande étoile et d’éliminer une quantité importante de son atmosphère extérieure. Ensuite, la plus grande étoile explose en supernova ultra-dépouillée, mais sans assez de puissance explosive pour expulser son compagnon, elle laisse derrière elle une étoile à neutrons.
La prochaine étape est où CPD-29 2176 est maintenant. Il y a l’étoile à neutrons et la plus grande étoile qui n’a pas encore explosé. L’étoile à neutrons siphonne les couches externes de l’étoile, provoquant une perte de masse importante. Les tables sont tournées.
Dans environ un million d’années dans le futur, l’étoile restante aura perdu une grande partie de sa masse et explosera en supernovae ultra-dépouillée. Il ne sera pas assez puissant pour expulser son compagnon étoile à neutrons. Il laissera derrière lui une étoile à neutrons, et la paire d’étoiles à neutrons orbitera l’une autour de l’autre jusqu’à ce qu’elles tournent en spirale vers l’intérieur et finissent par fusionner.
“Pendant un certain temps, les astronomes ont spéculé sur les conditions exactes qui pourraient éventuellement conduire à une kilonova”, a déclaré l’astronome et co-auteur du NOIRLab, André-Nicolas Chené. “Ces nouveaux résultats démontrent que, dans au moins certains cas, deux étoiles à neutrons sœurs peuvent fusionner lorsque l’une d’elles a été créée sans explosion de supernova classique.”
Les chances que cela ne se produise sont presque écrasantes. Mais puisque les kilonovae existent, les circonstances doivent s’aligner pour les produire. Ainsi, chaque fois que nous assistons à une kilonova, nous assistons à un événement sur dix milliards.
« Nous savons que la Voie lactée contient au moins 100 milliards d’étoiles et probablement des centaines de milliards d’autres. Ce système binaire remarquable est essentiellement un système à un sur dix milliards », a déclaré Chené. “Avant notre étude, l’estimation était que seuls un ou deux de ces systèmes devraient exister dans une galaxie spirale comme la Voie lactée.”
Il y a plus dans les kilonovae que des ondes gravitationnelles et une explosion massive. Ces événements sont aussi une source d’éléments lourds de l’Univers. Ainsi, leur étude révèle non seulement des détails sur les événements qui les ont précédés, mais elle aide également à démêler l’histoire de la nucléosynthèse.
Mais l’humanité devra survivre très longtemps pour voir cet événement kilonova. Cela pourrait prendre plus d’un million d’années pour que l’étoile explose en supernova ultra-dépouillée. Et quand c’est le cas, les deux étoiles à neutrons devront être suffisamment proches l’une de l’autre avant qu’une kilonova puisse se produire. C’est beaucoup de temps et beaucoup de circonstances.
Maintenant que les astronomes ont repéré l’un de ces progéniteurs potentiels de kilonova, ils pourraient être mieux placés pour en trouver plus. En cours de route, ils en apprendront davantage sur les supernovae ultra-dépouillées.
“Ce système révèle que certaines étoiles à neutrons se forment avec seulement un petit coup de pied de supernova”, a déclaré Richardson. “En comprenant la population croissante de systèmes comme CPD-29 2176, nous aurons un aperçu du calme de certaines morts stellaires et si ces étoiles peuvent mourir sans les supernovae traditionnelles.”
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