Dans les derniers stades de la formation d’étoiles à neutrons binaires, l’étoile géante se dilate et engloutit l’étoile à neutrons compagnon dans une étape appelée évolution de l’enveloppe commune (a). L’éjection de l’enveloppe laisse l’étoile à neutrons sur une orbite proche avec une étoile à enveloppe dénudée. L’évolution du système dépend du rapport de masse. Les étoiles dépouillées moins massives subissent une phase de transfert de masse supplémentaire qui dépouille davantage l’étoile et recycle le compagnon pulsar, conduisant à des systèmes tels que les étoiles à neutrons binaires observées dans la Voie lactée et GW170817 (b). Les étoiles dépouillées plus massives ne se dilatent pas autant, évitant ainsi un dépouillement supplémentaire et un recyclage compagnon, conduisant à des systèmes tels que GW190425 (c). Enfin, des étoiles dépouillées encore plus massives conduiront à des binaires d’étoiles à neutrons de trou noir telles que GW200115 (d). Crédit : Vigna-Gomez et al., ApJL 2021
La confirmation de ondes gravitationnelles en 2017, continue de débloquer de tout nouveaux mondes de la physique, mais continue également de susciter d’autres questions. La détection de chaque onde gravitationnelle apporte un nouveau défi : comment découvrir ce qui a causé l’événement. Parfois, c’est plus difficile qu’il n’y paraît. Maintenant, une équipe dirigée par Alejandro Vigna-Gomez de l’Université de Copenhague pense avoir trouvé un modèle de mort des étoiles qui aide à expliquer certaines découvertes auparavant inexplicables – et pointe vers une galaxie avec beaucoup plus d’étoiles à neutrons massives qu’on ne le pensait auparavant.
En science, il est courant de collecter des données qui ne semblent pas correspondre à la théorie scientifique actuelle. Ce genre de données inattendues provient de la deuxième découverte d’ondes gravitationnelles de l’Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO). D’habitude, LIGO enregistrerait les ondes gravitationnelles résultant de la collision de deux objets massivement denses, comme un trou noir et un étoile à neutrons. Dans le cas de son deuxième enregistrement positif, initialement enregistré en 2019 et maintenant connu sous le nom de GW190425, les données indiquaient que la source était deux étoiles à neutrons en fusion, mais elles étaient étonnamment grandes.
Les étoiles à neutrons moyennes sont difficiles à « voir » au sens traditionnel du terme. Comme leur cousin proche, le trou noir, ils ne se forment généralement qu’après l’implosion d’une étoile supermassive. Cependant, ils forment parfois des pulsars, créant une forme d’étoile qui est l’une des plus visibles de l’univers. En règle générale, la seule façon de voir un système d’étoiles à neutrons binaires, comme celui qui a créé le signal d’onde gravitationnelle GW190425, est si l’une des deux étoiles du système est une pulsar puis interagit avec son étoile à neutrons voisine régulière. Mais aucun des systèmes d’étoiles à neutrons binaires connus n’avait d’étoiles suffisamment lourdes pour correspondre au signal vu par LIGO.
Ils manquaient de telles étoiles en partie à cause des étoiles plus grandes se transformant en trous noirs plutôt qu’en étoiles à neutrons lorsqu’elles meurent. Cependant, les signaux gravitationnels provenaient de la fusion d’étoiles à neutrons géantes, et non de la fusion de trous noirs. Alors, qu’est-ce qui cause la formation de ces grandes étoiles à neutrons, et pourquoi n’apparaissent-elles pas en paires binaires avec des pulsars ?
Selon le Dr Vigna-Gomez, la réponse pourrait résider dans un type d’étoile appelé « étoile dénudée ». Aussi appelée étoile à hélium, ces objets stellaires ne se forment que dans des systèmes binaires et leur enveloppe externe d’hydrogène est repoussée par l’autre étoile du système, laissant un noyau d’hélium pur. L’équipe a modélisé ces types d’étoiles pour comprendre ce qui leur arrive après une supernova. Cela dépend de deux facteurs : le poids du noyau qui reste et la force de son explosion de supernova.
À l’aide de modèles d’évolution stellaire, l’équipe a montré que pour les étoiles à hélium, certaines des couches externes d’hélium peuvent être soufflées lors de l’explosion, abaissant le poids de l’étoile au point qu’elle ne peut plus devenir un trou noir. Cela pourrait potentiellement expliquer d’où viennent les étoiles à neutrons lourds, mais pourquoi ne sont-elles pas plus visibles dans les systèmes binaires avec des pulsars ?
La réponse vient d’un processus standard dans les systèmes binaires – le transfert de masse. Souvent, une étoile dans un système binaire perd une partie de sa matière au profit d’une autre étoile, plus massive, dans un processus connu sous le nom de transfert de masse. Dans les systèmes d’étoiles à neutrons, ce transfert de masse peut parfois faire tourner une étoile à neutrons en un pulsar. Cependant, plus le noyau d’hélium de l’étoile est gros, moins le processus de transfert de masse est probable. Ainsi, dans les systèmes qui forment des étoiles à neutrons massives, il est moins probable qu’elles se retrouvent dans un système binaire avec un pulsar. Ils sont plus capables de conserver leur masse plutôt que de la transférer à leur compagnon binaire, la laissant s’allumer comme un pulsar.
D’autres données de LIGO soutiennent cette théorie. Il semble que les fusions d’étoiles à neutrons lourdes soient tout aussi courantes dans l’univers que les fusions d’étoiles à neutrons légèrement moins lourdes avec des pulsars. Une population entière de grands systèmes binaires d’étoiles à neutrons pourrait exister, invisible à nos méthodes de détection habituelles. Mais maintenant, avec LIGO, nous devrions au moins être en mesure de voir quand ils fusionnent, et c’est un pas de plus pour vraiment les comprendre.
Publié à l’origine le Univers aujourd’hui.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Les astrophysiciens expliquent les résultats déroutants des observatoires d’ondes gravitationnelles.
Référence : “Fallback Supernova Assembly of Heavy Binary Neutron Stars and Light Black Hole–Neutron Star Pairs and the Common Stellar Ancestry of GW190425 and GW200115” par Alejandro Vigna-Gómez, Sophie L. Schrøder, Enrico Ramirez-Ruiz, David R. Aguilera- Dena, Aldo Batta, Norbert Langer et Reinhold Willcox, 8 octobre 2021, Lettres de revues astrophysiques.
DOI : 10.3847 / 2041-8213 / ac2903
