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De mystérieux rayons X pourraient être l’après-midi kilonova des fusions d’étoiles à neutrons de 2017

Zoom / Représentation artistique de la fusion de deux étoiles à neutrons pour former un trou noir (caché dans un renflement lumineux au centre de l’image). La fusion génère des jets de matière opposés à haute énergie (bleu) qui chauffent le matériau autour des étoiles, les faisant émettre des rayons X (nuages ​​​​rougeâtres).

NASA/CXC/M. Weiss

En 2017, des astronomes ont découvert un phénomène connu sous le nom dekilonovaTrois ans et demi plus tard, des astrophysiciens ont découvert une mystérieuse radiographie qui, selon eux, pourrait être la première détection d’une « rémanence de kilonova », selon un nouvel article de recherche publié dans Astrophysical Journal Letters. la première observation de matière tombant dans le trou noir qui s’est formé après la fusion.

comme informez nous Précédemment, Découvrez LIGO grâce aux ondes gravitationnelles interférométrie laser. Cette méthode utilise des lasers à haute puissance pour mesurer de petits changements dans la distance entre deux objets situés à des kilomètres l’un de l’autre. (LIGO a des détecteurs à Hanford, Washington, et à Livingston, Louisiane. Un troisième détecteur en Italie, connu sous le nom d’Advanced VIRGO, a été mis en service en 2016.) Avoir trois détecteurs signifie que les scientifiques peuvent déterminer d’où proviennent les pépiements du ciel nocturne.

En plus de sept fusions de trous noirs binaires, découvrez la deuxième manche de LIGO, du 30 novembre 2016 au 25 août 2017, Fusion binaire entre étoiles à neutrons avec une fois Sursaut gamma et des signaux dans le reste du spectre électromagnétique. L’événement est maintenant connu sous le nom de GW170817. Ces signaux comprenaient des signes révélateurs d’éléments lourds – en particulier l’or, le platine et l’uranium – créés par la collision. La plupart des éléments plus légers se forment dans les explosions étouffantes d’étoiles massives appelées supernovae, mais les astronomes supposent depuis longtemps que les éléments plus lourds peuvent provenir de la kilonova produite lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision.

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La découverte de Kilonova en 2017 a fourni la preuve que ces astronomes avaient raison. L’enregistrement de ce genre d’événement céleste était sans précédent, et il a officiellement marqué l’aube d’une nouvelle ère dans le soi-disant « Multi-message d’astronomie. « 

Depuis lors, les astronomes recherchent une signature optique correspondante lorsque LIGO/VIRGO capte un signal d’onde gravitationnelle de fusions d’étoiles à neutrons ou de fusions d’étoiles à neutrons avec des trous noirs. L’hypothèse était que les fusions de trous noirs et de trous noirs ne produiraient aucune signature optique, il était donc inutile d’en chercher une – jusqu’en 2020. C’est alors que les astronomes ont découvert premier guide pour un tel phénomène. Les astronomes ont fait la découverte en combinant des données d’ondes gravitationnelles avec des données recueillies lors d’une étude automatisée du ciel.

Mais Kilonova 2017 reste unique, selon Abrajita Hajela, auteur principal du nouvel article et étudiant diplômé à la Northwestern University. Hagelah Appelle Kilonova « Un événement unique en son genre » et « un coffre au trésor de plusieurs premières observations dans notre domaine ». Avec d’autres astronomes de Northwestern et de l’Université de Californie à Berkeley, il surveille l’évolution de GW170817 depuis sa découverte par LIGO/Virgo à l’aide d’engins spatiaux spatiaux. Observatoire de rayons X Chandra.

Illustration de l'observatoire de rayons X Chandra dans l'espace, le télescope à rayons X le plus sensible jamais conçu.
Zoom / Illustration de l’observatoire de rayons X Chandra dans l’espace, le télescope à rayons X le plus sensible jamais conçu.

NASA/CXC/NGST (domaine public)

Chandra a détecté pour la première fois les émissions de rayons X et radio de GW170817 deux semaines après la fusion, qui a duré 900 jours. Mais ces rayons X initiaux, propulsés par un jet de fusion à vitesse proche de la lumière, ont commencé à s’estomper au début de 2018. Cependant, de mars 2020 à la fin de cette année, la forte baisse de luminosité s’est arrêtée et l’émission de rayons X est devenu constant. Un peu en termes de luminosité.

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Pour aider à résoudre ce mystère, Hajela et son équipe ont collecté des données d’observation supplémentaires avec Chandra et Very Large Array (VLA) en décembre 2020, 3,5 ans après la fusion. C’est Hajela qui s’est réveillée à 4 heures du matin avec une notification d’émissions de rayons X étonnamment fortes et lumineuses – quatre fois plus élevées que ce à quoi on pourrait s’attendre à ce stade si les émissions n’étaient alimentées que par le jet. (Le VLA n’a détecté aucune émission radio.) Ces nouvelles émissions sont restées à un niveau constant pendant 700 jours.

Cela signifie qu’une source complètement différente de rayons X doit être la source d’énergie pour eux. Une explication possible est que les débris en expansion de la fusion ont généré une onde de choc, semblable à un bang sonique, ainsi que des jets. Dans ce cas, les étoiles à neutrons qui fusionnent ne peuvent pas s’effondrer instantanément dans un trou noir. Au lieu de cela, les étoiles tournent rapidement pendant une seconde. Cette rotation rapide aurait annulé l’effondrement gravitationnel assez brièvement pour produire une queue rapide des projectiles lourds de Kilonova, qui ont propulsé l’onde de choc. Au fur et à mesure que ces projectiles lourds ralentissaient, leur énergie cinétique était convertie en chaleur par les chocs.

« Tu vas tomber dedans. C’est fait. »

« Si les étoiles à neutrons en fusion devaient s’effondrer directement dans un trou noir sans phase intermédiaire, il serait très difficile d’expliquer l’excès de rayons X que nous voyons maintenant, car il n’y aurait pas de surface solide pour que les choses rebondissent en volant à haute altitude. vitesses pour créer ces aurores. » La co-auteure Raffaella Margutti a déclaré de l’Université de Californie à Berkeley. « Vous allez tomber dedans. C’est fait. La vraie raison pour laquelle je suis scientifiquement excité est parce que nous pourrions voir quelque chose de plus depuis l’avion. Nous pourrions enfin obtenir des informations sur le nouvel objet compact. »

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Brian Metzger de l’Université de Columbia a proposé un scénario alternatif : l’émission de rayons X pourrait être déclenchée par la chute de matière dans la fente arrière formée lors de la fusion. Il s’agit également d’une première scientifique, a déclaré Hagel, car ce type d’accumulation à long terme n’a jamais été observé auparavant.

Il y a plus d’observations prévues à partir de maintenant, et ces données aideront à résoudre le problème. Si les rayons X et les émissions radio s’éclaircissent au cours des prochains mois ou années, cela confirmera le scénario des aurores boréales. Si les émissions de rayons X diminuaient fortement ou restaient constantes, sans émissions radio associées, cela confirmerait le scénario du trou noir croissant.

Quoi qu’il en soit, « ce sera la première fois que nous verrons une aurore kilonova ou la première fois que nous verrons de la matière tomber dans un trou noir après une fusion d’étoiles à neutrons », Le co-auteur Joe Bright a déclaré :Postdoc à l’Université de Californie, Berkeley. « Aucun résultat ne serait très excitant. »

DOI : Les lettres du journal astrophysique, 2022. 10.48550 / arXiv.2104.02070 (À propos des DOI).