Vue d’artiste de la mystérieuse rafale AT2018vache. Crédit : Observatoire national d’astronomie du Japon
La découverte, basée sur un événement inhabituel surnommé “La vache”, pourrait offrir aux astronomes une nouvelle façon de repérer les objets compacts infantiles.
En juin 2018, des télescopes du monde entier ont capté un éclair bleu brillant provenant du bras spiral d’une galaxie distante de 200 millions d’années-lumière. Le sursaut puissant a d’abord semblé être une supernova, bien qu’il soit beaucoup plus rapide et beaucoup plus lumineux que n’importe quel scientifique d’explosion stellaire n’avait encore vu. Le signal, étiqueté de manière procédurale AT2018cow, a depuis été surnommé simplement “la vache”, et les astronomes l’ont catalogué comme un transitoire optique bleu rapide, ou FBOT – un événement brillant et de courte durée d’origine inconnue.
Maintenant un AVEC-L’équipe dirigée a trouvé des preuves solides de la source du signal. En plus d’un flash optique brillant, les scientifiques ont détecté une impulsion de type stroboscopique de rayons X à haute énergie. Ils ont retracé des centaines de millions de ces impulsions de rayons X jusqu’à la vache et ont découvert que les impulsions se produisaient comme sur des roulettes, toutes les 4,4 millisecondes, sur une période de 60 jours.
Sur la base de la fréquence des impulsions, l’équipe a calculé que les rayons X devaient provenir d’un objet ne mesurant pas plus de 1 000 kilomètres de large, avec une masse inférieure à 800 soleils. Selon les normes astrophysiques, un tel objet serait considéré comme compact, un peu comme un petit trou noir ou un étoile à neutrons.
Leurs conclusions, publiées le 13 décembre 2021, dans la revue Astronomie de la nature, suggèrent fortement qu’AT2018cow était probablement le produit d’une étoile mourante qui, en s’effondrant, a donné naissance à un objet compact sous la forme d’un trou noir ou d’une étoile à neutrons. L’objet nouveau-né a continué à dévorer la matière environnante, mangeant l’étoile de l’intérieur – un processus qui a libéré une énorme explosion d’énergie.
“Nous avons probablement découvert la naissance d’un objet compact dans une supernova”, explique l’auteur principal Dheeraj “DJ” Pasham, chercheur à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. “Cela se produit dans les supernovae normales, mais nous ne l’avons jamais vu auparavant car c’est un processus tellement compliqué. Nous pensons que cette nouvelle preuve ouvre des possibilités pour trouver des bébés trous noirs ou des bébés étoiles à neutrons. »
« Le noyau de la vache »
AT2018cow est l’un des nombreux “transitoires astronomiques” découverts en 2018. La “vache” dans son nom est une coïncidence aléatoire du processus de dénomination astronomique (par exemple, “aaa” fait référence au tout premier transitoire astronomique découvert en 2018). Le signal fait partie des quelques dizaines de FBOT connus, et c’est l’un des rares signaux de ce type à avoir été observé en temps réel. Son flash puissant – jusqu’à 100 fois plus lumineux qu’une supernova typique – a été détecté par une enquête à Hawaï, qui a immédiatement envoyé des alertes aux observatoires du monde entier.
“C’était excitant parce que des tonnes de données ont commencé à s’accumuler”, dit Pasham. « La quantité d’énergie était de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle d’une supernova typique à effondrement de noyau. Et la question était, qu’est-ce qui pourrait produire cette source d’énergie supplémentaire ?
Les astronomes ont proposé divers scénarios pour expliquer le signal super lumineux. Par exemple, cela aurait pu être le produit d’un trou noir né dans une supernova. Ou cela pourrait avoir résulté d’un trou noir de poids moyen arrachant de la matière à une étoile qui passe. Cependant, les données collectées par les télescopes optiques n’ont pas résolu la source du signal de manière définitive. Pasham s’est demandé si une réponse pouvait être trouvée dans les données radiographiques.
“Ce signal était proche et également brillant aux rayons X, ce qui a attiré mon attention”, a déclaré Pasham. « Pour moi, la première chose qui me vient à l’esprit est qu’un phénomène vraiment énergétique se produit pour générer des rayons X. J’ai donc voulu tester l’idée qu’il y a un trou noir ou un objet compact au cœur de la vache.
Trouver un pouls
L’équipe a examiné les données radiographiques recueillies par Nasa‘s Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), un télescope de surveillance à rayons X à bord de la Station spatiale internationale. NICER a commencé à observer la vache environ cinq jours après sa détection initiale par des télescopes optiques, surveillant le signal au cours des 60 jours suivants. Ces données ont été enregistrées dans des archives accessibles au public, que Pasham et ses collègues ont téléchargées et analysées.
L’équipe a examiné les données pour identifier les signaux de rayons X émanant près d’AT2018cow et a confirmé que les émissions ne provenaient pas d’autres sources telles que le bruit des instruments ou les phénomènes de fond cosmique. Ils se sont concentrés sur les rayons X et ont découvert que la vache semblait émettre des salves à une fréquence de 225 hertz, soit une fois toutes les 4,4 millisecondes.
Pasham a saisi cette impulsion, reconnaissant que sa fréquence pouvait être utilisée pour calculer directement la taille de tout ce qui pulsait. Dans ce cas, la taille de l’objet pulsant ne peut pas être supérieure à la distance que la vitesse de la lumière peut couvrir en 4,4 millisecondes. Par ce raisonnement, il a calculé que la taille de l’objet ne doit pas être supérieure à 1,3×108 centimètres, soit environ 1 000 kilomètres de large.
“La seule chose qui peut être aussi petite est un objet compact – soit une étoile à neutrons soit un trou noir”, explique Pasham.
L’équipe a en outre calculé que, sur la base de l’énergie émise par AT2018cow, elle ne doit pas dépasser 800 masses solaires.
“Cela exclut l’idée que le signal provienne d’un trou noir intermédiaire”, explique Pasham.
En plus d’identifier la source de ce signal particulier, Pasham dit que l’étude démontre que les analyses aux rayons X des FBOT et d’autres phénomènes ultra-brillants pourraient être un nouvel outil pour étudier les trous noirs infantiles.
“Chaque fois qu’il y a un nouveau phénomène, il y a de l’excitation qu’il pourrait dire quelque chose de nouveau sur l’univers”, dit Pasham. « Pour les FBOT, nous avons montré que nous pouvons étudier leurs pulsations en détail, d’une manière qui n’est pas possible en optique. C’est donc une nouvelle façon de comprendre ces objets compacts nouveau-nés.
Référence : « Evidence for a compact object in the aftermath of the extragalactic transient AT2018cow » par Dheeraj R. Pasham, Wynn CG Ho, William Alston, Ronald Remillard, Mason Ng, Keith Gendreau, Brian D. Metzger, Diego Altamirano, Deepto Chakrabarty, Andrew Fabian, Jon Miller, Peter Bult, Zaven Arzoumanian, James F. Steiner, Tod Strohmayer, Francesco Tombesi, Jeroen Homan, Edward M. Cackett et Alice Harding, 13 décembre 2021, Astronomie de la nature.
DOI : 10.1038 / s41550-021-01524-8
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la NASA.
