Les cocons d’étoiles mourantes pourraient expliquer les phénomènes transitoires optiques bleus rapides. Dans cette animation, un cocon entoure le jet d’une étoile qui s’effondre. Lorsque ce cocon s’échappe de l’étoile, il se refroidit et libère de la chaleur sous forme d’émission FBOT. Crédit : Ore Gottlieb/Northwestern University
Premier modèle qui est entièrement compatible avec toutes les observations de transitoires optiques bleus rapides.
Nouvelles simulations développées par Northwestern University’s Ore Gottlieb and Sasha Tchekovskoy present a potential explanation for the origins of a mysterious phenomenon called fast blue optical transients, or FBOTs. The model shows a massive star collapsing, launching outflows of debris at rates near the speed of light. These outflows, or jets, collide into collapsing layers of the dying star to form a “cocoon” around the jet. The new model shows that as the jet pushes the cocoon outward — away from the core of the collapsing star — it cools, releasing heat as an observed FBOT emission.
Ever since they were discovered in 2018, fast blue optical transients (FBOTs) have completely surprised and utterly perplexed both observational and theoretical astrophysicists.
These mysterious objects, which are so hot that they glow blue, are the brightest known optical phenomenon in the universe. However, with only a few discovered thus far, the origins of FBOTs have remained elusive.
Now a Northwestern University team of astrophysics presents a bold new explanation for the origin of these curious anomalies. Using a new model, these scientists believe FBOTs could result from the actively cooling cocoons that surround jets launched by dying stars. It marks the first astrophysics model that is fully consistent with all FBOT observations to date.
The research was published on April 11, 2022, in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Simulation complète de l’effondrement d’une étoile et du lancement de jets, qui se heurtent à la matière stellaire pour former un cocon. Lorsque le cocon se refroidit, il libère de la chaleur sous forme d’émission FBOT. Crédit : Ore Gottlieb/Northwestern University
Lorsqu’une étoile massive s’effondre, elle peut projeter des débris à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces flux, ou jets, se heurtent aux couches de l’étoile mourante qui s’effondrent pour former un “cocon” autour du jet. Le nouveau modèle montre que lorsque le jet pousse le cocon vers l’extérieur – loin du cœur de l’étoile en effondrement – il se refroidit, libérant de la chaleur sous forme d’une émission FBOT observée.
“Un jet commence profondément à l’intérieur d’une étoile et se fraie ensuite un chemin vers l’extérieur pour s’échapper”, a déclaré Ore Gottlieb, de Northwestern, qui a dirigé l’étude. “Au fur et à mesure que le jet se déplace à travers l’étoile, il forme une structure étendue, connue sous le nom de cocon. Le cocon enveloppe le jet, et il continue à le faire même après que le jet se soit échappé de l’étoile, ce cocon s’échappe avec le jet. Lorsque nous avons calculé la quantité d’énergie que possède le cocon, il s’est avéré qu’il était aussi puissant qu’un FBOT.”
Jet perçant les couches stellaires d’une étoile mourante. Crédit : Ore Gottlieb/Northwestern University
Ore Gottlieb est un boursier Rothschild du Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaire en astrophysique (CIERA) de l’université Northwestern. Il est coauteur de l’article avec Sasha Tchekovskoy, membre du CIERA et professeur adjoint de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern.
Le problème de l’hydrogène
Les FBOTs (prononcez F-bot) sont un type d’explosion cosmique initialement détecté dans la longueur d’onde optique. Comme leur nom l’indique, les transitoires s’éteignent presque aussi vite qu’ils apparaissent. Les FBOT atteignent un pic de luminosité en quelques jours, puis s’éteignent rapidement – bien plus vite que l’apparition et la disparition des supernovae standard.
Après avoir découvert les FBOT il y a tout juste quatre ans, les astrophysiciens se sont demandés si ces événements mystérieux étaient liés à une autre catégorie de phénomènes transitoires : les sursauts gamma (GRB). Ces explosions, les plus fortes et les plus brillantes dans toutes les longueurs d’onde, sont également associées à la mort d’étoiles. Lorsqu’une étoile massive épuise son combustible et s’effondre en un black hole, it launches jets to produce a powerful gamma ray emission.
When a jet collides with collapsing layers of the star, it forms a ‘cocoon’ around the jet. Credit: Ore Gottlieb/Northwestern University
“The reason why we think GRBs and FBOTs might be related is because both are very fast — moving at close to the speed of light — and both are asymmetrically shaped, breaking the spherical shape of the star,” Gottlieb said. “But there was a problem. Stars that produce GRBs lack hydrogen. We don’t see any signs of hydrogen in GRBs, whereas in FBOTs, we see hydrogen everywhere. So, it could not be the same phenomenon.”
Using their new model, Gottlieb and his coauthors think they might have found an answer to this problem. Hydrogen-rich stars tend to house hydrogen in their outermost layer — a layer too thick for a jet to penetrate.
Le cocon enveloppe le jet et s’échappe de l’étoile avec lui. En se refroidissant, le cocon libère de la chaleur sous forme d’une émission transitoire optique bleue rapide (FBOT). Crédit : Ore Gottlieb/Northwestern University
“En fait, l’étoile serait trop massive pour que le jet puisse la transpercer”, explique Ore Gottlieb. “Le jet ne sortira donc jamais de l’étoile, et c’est pour cela qu’il ne produit pas de GRB. Cependant, dans ces étoiles, le jet mourant transfère toute son énergie au cocon, qui est le seul composant à s’échapper de l’étoile. Le cocon émettra des émissions FBOT, qui comprendront de l’hydrogène. Il s’agit d’un autre domaine où notre modèle est entièrement compatible avec toutes les observations FBOT.”
Assemblage de l’image
Bien que les FBOT brillent dans les longueurs d’onde optiques, ils émettent également des ondes radio et des rayons X. Le modèle de Gottlieb explique cesaussi.
Lorsque le cocon interagit avec le gaz dense entourant l’étoile, cette interaction chauffe la matière stellaire pour libérer une émission radio. Et lorsque le cocon s’étend suffisamment loin du trou noir (formé par l’effondrement de l’étoile), des rayons X peuvent s’échapper du trou noir. Les rayons X se joignent à la lumière radio et optique pour former une image complète de l’événement FBOT.
Un jet perçant l’intérieur d’une étoile mourante. Crédit : Ore Gottlieb/Northwestern University.
Bien que Gottlieb soit encouragé par les résultats de son équipe, il affirme que d’autres observations et modèles sont nécessaires avant que nous puissions comprendre définitivement les origines mystérieuses des FBOTs.
“Lorsque nous avons calculé la quantité d’énergie que possède le cocon, il s’est avéré qu’il était aussi puissant qu’un FBOT.”
– Ore Gottlieb, astrophysicien.
“Il s’agit d’une nouvelle classe de transitoires, et nous en savons si peu sur eux”, a déclaré Gottlieb. “Nous devons en détecter davantage, plus tôt dans leur évolution, avant de pouvoir comprendre pleinement ces explosions. Mais notre modèle est capable de tracer une ligne entre les supernovae, les GRBs et les FBOTs, ce qui me semble très élégant. “
Un cocon entourant le jet d’une étoile en effondrement. Lorsque ce cocon s’échappe de l’étoile, il se refroidit et libère de la chaleur sous forme d’émission de transitoire optique bleu rapide (FBOT). Crédit : Ore Gottlieb/Northwestern University
“Cette étude ouvre la voie à des simulations plus avancées des FBOT”, a déclaré Tchekovskoy. “Ce modèle de nouvelle génération nous permettra de relier directement la physique du trou noir central aux observables, ce qui nous permettra de révéler la physique autrement cachée du moteur central des FBOT.”
Référence : “Shocked jets in CCSNe can power the zoo of fast blue optical transients” par Ore Gottlieb, Alexander Tchekhovskoy et Raffaella Margutti, 11 avril 2022, Notices mensuelles de la Société royale d’astronomie.
DOI : 10.1093/mnras/stac910
L’étude intitulée “Shocked jets in CCSNe can power the zoo of fast blue optical transients” a été soutenue par la National Science Foundation (numéros de bourse AST-1815304 et AST-2107839). Les auteurs ont développé la simulation en utilisant les superordinateurs du Texas Advanced Computing Center de l’Université du Texas à Austin.
