L’observatoire Chandra X de la NASA a recueilli des données sur une kilonova – un événement puissant illustré ici qui se produit lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent – associée à GW170817. C’est le 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, résulte de la fusion de deux étoiles à neutrons et est le premier objet pour lequel les deux 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 une lumière dans le spectre visible et infrarouge provenant de la désintégration d’éléments radioactifs comme le platine et l’or formés dans les débris de la fusion. Cet éclat de lumière est appelé 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 d’étoiles à neutrons semble très différente en rayons X. Juste après l’annonce de la première détection LIGO, les scientifiques ont demandé à Chandra de passer rapidement de sa cible actuelle à GW170817. Au début, ils n’ont pas vu de rayons X provenant de la source, mais le 26 août 2017, Chandra a regardé de nouveau et a trouvé une source ponctuelle de rayons X.
Cette non-détection de rayons X rapidement suivie 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 qu’à l’origine, Chandra a vu le jet étroit de son côté, et n’a donc pas vu de rayons X immédiatement après la détection des ondes gravitationnelles.
Cependant, au fil du temps, la matière du jet a ralenti et s’est élargie en heurtant la matière environnante. Le cône du jet a alors 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 l’année 2018, l’émission de rayons X causée par le jet s’était régulièrement affaiblie à mesure que le jet ralentissait encore et s’étendait. L’équipe de recherche a alors remarqué qu’à partir de mars 2020 et jusqu’à la fin de l’année 2020, le déclin s’est arrêté et la luminosité de l’émission de rayons X était à peu près constante. C’était un signe important.
“Le fait que les rayons X aient cessé de s’estomper rapidement était notre meilleure preuve à ce jour que quelque chose en plus d’un jet est détecté dans les rayons X de cette source”, a déclaré le co-auteur Raffaella Margutti de l’Université de Californie à Berkeley. “Une source de rayons X complètement différente semble être nécessaire pour expliquer ce que nous voyons”.
Une explication principale 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 la matière chauffée par le choc s’appelle une rémanence de kilonova. Une autre explication est que les rayons X proviennent de la matière 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 de ces explications.
“Une étude plus approfondie de GW170817 pourrait avoir des implications d’une grande portée”, 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 pourrait offrir aux astronomes une chance d’étudier comment la matière tombe sur un trou noir quelques années après sa naissance.”
Pour distinguer les deux explications, les astronomes vont continuer à surveiller GW170817 dans les rayons X et les 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 la chute de matière sur un trou noir nouvellement formé, alors l’émission de rayons X devrait rester stable ou décliner rapidement, et aucune émission radio ne sera détectée au fil du temps. De nouvelles observations Chandra de GW170817 à partir de décembre 2021, que l’équipe analyse actuellement, pourraient aider à résoudre cette question.
“Cette observation ouvre également la voieLe projet LIGO a permis d’identifier un grand nombre de kilonovae et de les étudier plus en profondeur”, a déclaré Ashley Villar, co-auteur et professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à Penn State. “Lorsque LIGO entamera son quatrième cycle d’observation, nous espérons trouver davantage de kilonovae et explorer réellement la diversité de ces événements, notamment la façon dont les signatures de masse et d’énergie diffèrent dans la rémanence et la façon dont 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 : “The emergence of a new source of X-rays from the binary neutron star merger GW170817” par A. Hajela, R. Margutti, J. S. Bright, K. D. Alexander, B. D. 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, F. S. Broekgaarden, C. D. Kilpatrick, G. Terreran, V. A. Villar, P. K. Blanchard, S. Gomez, G. Hosseinzadeh, D. J. Matthews et J. C. Rastinejad, 5 avril 2021, Astrophysique > ; Phénomènes astrophysiques à haute énergie.
arXiv:2104.02070
Un article décrivant ces résultats est publié dans le dernier numéro de The Astrophysical Journal Letters.
Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le Chandra X-ray Center du Smithsonian Astrophysical Observatory contrôle les opérations scientifiques depuis Cambridge, Massachusetts, et les opérations de vol depuis Burlington, Massachusetts.
