Un événement récent d’ondes gravitationnelles a probablement créé un trou noir de faible masse Astronomie, physique

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Une nouvelle étude utilisant les données de rayons X de l’observatoire Chandra de la NASA indique que la fusion d’étoiles à neutrons qui est devenue la source d’ondes gravitationnelles, GW170817, a probablement créé le trou noir de plus faible masse connu.

La première illustration d'artiste montre une partie clé du processus qui a créé ce nouveau trou noir, alors que les deux étoiles à neutrons tournent l'une autour de l'autre tout en fusionnant. La matière violette représente les débris de la fusion. Crédit image : NASA / CXC / M.Weiss.

La première illustration montre une partie clé du processus de création de ce nouveau trou noir, alors que les deux étoiles à neutrons tournent l’une autour de l’autre tout en fusionnant. La matière violette représente les débris de la fusion. Crédit image : NASA / CXC / M.Weiss.

Le signal gravitationnel GW170817 a été détecté pour la première fois le 17 août 2017.

La détection a été effectuée par les deux détecteurs de l’Observatoire d’ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO), situés à Hanford, dans l’État de Washington, et à Livingston, en Louisiane. Les informations fournies par le troisième détecteur, Virgo, situé près de Pise, en Italie, ont permis d’améliorer la localisation de l’événement.

Dans la nuit suivant la découverte initiale de GW170817, les astronomes professionnels ont commencé leur chasse pour localiser la source de l’événement.

Ils l’ont trouvé dans NGC 4993, une galaxie lenticulaire située à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre dans la constellation de l’Hydre.

Alors que presque tous les télescopes à la disposition des astronomes ont observé GW170817, les rayons X de l’observatoire Chandra de la NASA sont essentiels pour comprendre ce qui s’est passé après la fusion spectaculaire de deux étoiles à neutrons.

D’après les données de LIGO, les astronomes ont une bonne estimation de la masse de l’objet résultant de la fusion des étoiles à neutrons, soit environ 2,7 fois la masse du Soleil.

Cela le place sur la corde raide de l’identité, ce qui implique qu’il s’agit soit de l’étoile à neutrons la plus massive jamais découverte, soit du trou noir de masse la plus faible jamais découvert. Les précédents détenteurs du record pour ce dernier point ne sont pas moins de 4 à 5 fois la masse du Soleil.

“Si les étoiles à neutrons et les trous noirs sont mystérieux, nous en avons étudié un grand nombre à travers l’Univers à l’aide de télescopes comme Chandra. Cela signifie que nous disposons à la fois de données et de théories sur la façon dont nous nous attendons à ce que de tels objets se comportent dans les rayons X”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Dave Pooley, de l’Université Trinity à San Antonio, au Texas.

Les données Chandra de GW170817 montrent des niveaux de rayons X qui sont un facteur de quelques fois à plusieurs centaines de fois inférieurs à ceux attendus pour une étoile à neutrons en rotation rapide, fusionnée et la bulle de particules de haute énergie associée, ce qui implique qu'un trou noir s'est probablement formé à la place. Crédit image : NASA / CXC / Université de la Trinité / D. Pooley et al.

Les données Chandra de GW170817 montrent des niveaux de rayons X qui sont un facteur de quelques fois à plusieurs centaines de fois inférieurs à ceux attendus pour une étoile à neutrons fusionnée en rotation rapide et la bulle de particules de haute énergie associée, ce qui implique qu’un trou noir s’est probablement formé à la place. Crédit image : NASA / CXC / Université de la Trinité / D. Pooley et al.

Les observations de Chandra sont révélatrices, non seulement pour ce qu’elles ont révélé, mais aussi pour ce qu’elles n’ont pas révélé.

Si les étoiles à neutrons ont fusionné et formé une étoile à neutrons plus lourde, les astronomes s’attendaient à ce qu’elle tourne rapidement et génère un champ magnétique très puissant. Ce dernier, à son tour, aurait créé une bulle de particules de haute énergie en expansion qui aurait donné lieu à une émission de rayons X brillants.

Au lieu de cela, les données de Chandra montrent des niveaux de rayons X qui sont un facteur de quelques fois à plusieurs centaines de fois inférieurs à ceux attendus pour une étoile à neutrons en rotation rapide, fusionnée et la bulle de particules de haute énergie associée, ce qui implique qu’un trou noir s’est probablement formé à la place.

S’il est confirmé, ce résultat montre que la recette pour créer un trou noir peut parfois être compliquée.

Dans le cas de GW170817, il aurait fallu deux explosions de supernova qui auraient laissé derrière elles deux étoiles à neutrons dans une orbite suffisamment serrée pour que le rayonnement des ondes gravitationnelles rapproche les étoiles à neutrons.

“Nous avons peut-être répondu à l’une des questions les plus fondamentales concernant cet événement éblouissant : qu’a-t-il fabriqué ? Les astronomes soupçonnent depuis longtemps que les fusions d’étoiles à neutrons forment un trou noir et produisent des éclats de rayonnement, mais nous n’avions pas d’arguments solides pour le prouver jusqu’à présent, a déclaré le Dr Pawan Kumar, co-auteur de l’étude, de l’Université du Texas à Austin.

En comparant les observations de Chandra avec celles du très grand réseau (VLA) Karl G. Jansky de la NSF, l’équipe explique l’émission de rayons X observée comme étant entièrement due à l’onde de choc de la fusion se fracassant sur le gaz environnant. Il n’y a aucun signe de rayons X provenant d’une étoile à neutrons.

Le siteLes affirmations des chercheurs pourront être vérifiées par de futures observations de rayons X et de radio.

Si le vestige s’avère être une étoile à neutrons avec un fort champ magnétique, alors la source devrait devenir beaucoup plus brillante aux longueurs d’onde des rayons X et de la radio dans environ deux ans, lorsque la bulle de particules de haute énergie rattrapera l’onde de choc en décélération.

S’il s’agit effectivement d’un trou noir, ils s’attendent à ce qu’il continue à devenir plus faible que ce qui a été observé récemment, à mesure que l’onde de choc s’affaiblit.

“GW170817 est l’événement astronomique qui ne cesse de donner. Nous apprenons tellement de choses sur l’astrophysique des objets connus les plus denses à partir de ce seul événement”, a déclaré le co-auteur, le Dr J. Craig Wheeler, également de l’Université du Texas.

Si les observations de suivi révèlent qu’une étoile à neutrons lourde a survécu, une telle découverte remettrait en question les théories sur la structure des étoiles à neutrons et la masse qu’elles peuvent atteindre.

“Au début de ma carrière, les astronomes ne pouvaient observer les étoiles à neutrons et les trous noirs que dans notre propre Galaxie, et maintenant nous observons ces étoiles exotiques à travers le cosmos. Quelle époque passionnante que la nôtre, où des instruments comme LIGO et Chandra nous montrent tant de choses passionnantes que la nature a à offrir”, a déclaré le coauteur, Bruce Gossan, de l’Université de Californie à Berkeley.

L’étude sera publiée dans le Astrophysical Journal Letters (préimpression arXiv.org).

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