Les astronomes voient le moment exact où une supernova s'est transformée en trou noir (ou étoile à neutrons)
Le 17 juin 2018, le ATLAS Les télescopes jumeaux de l'enquête (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System) ont repéré quelque chose d'extraordinairement brillant dans le ciel. La source se trouvait à 200 millions d'années-lumière dans la constellation d'Hercule. L'objet a reçu le nom AT2018cow ou 'The Cow'. La vache s'est enflammée rapidement, puis tout aussi rapidement elle a disparu.
Qu'est-ce que c'était?
Un type de supernova ?
Au début, la réponse évidente était une supernova . Lorsqu'un point lumineux transitoire éclate dans le ciel, c'est la première chose que pensent les astronomes, et la première chose qu'ils essaient de confirmer ou d'exclure.
Il existe différents types de supernovae. Le plus connu se produit à la fin de la vie d'une étoile massive. Dans ce cas, une étoile ne peut plus soutenir la fusion dans son noyau. Finalement, la gravité domine l'étoile et elle s'effondre. Cela provoque une explosion massive qui produit une énorme quantité d'énergie pendant plusieurs mois.
Les supernovae sont si brillantes qu'elles éclipsent leur galaxie hôte. Il s'agit de SN1994D, en bas à gauche, dépassant sa galaxie hôte NGC 4526. Crédit d'image : par la NASA/ESA, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=407520
Un autre type est causé par une naine blanche dans un système binaire avec une autre étoile. Une naine blanche peut accumuler de la matière de son compagnon jusqu'à ce qu'elle atteigne une masse critique et qu'une fusion incontrôlée se produise. Ce type de supernova peut être 5 milliards de fois plus lumineux que le Soleil.
Raffaella Margutti, Université du Nord-Ouest
« Nous savons par théorie que les trous noirs et les étoiles à neutrons se forment lorsqu'une étoile meurt, mais nous ne les avons jamais vus juste après leur naissance. Jamais.'
Les supernova ne sont pas vraiment rares, selon la façon dont vous les regardez. Il y en a environ trois tous les cent ans dans la Voie lactée. Mais avec tous les puissants télescopes sur Terre, nous les voyons bien en dehors de notre propre galaxie parce qu'ils sont si brillants. ATLAS, le système de télescope qui a repéré la vache, a repéré 2 795 supernovae depuis le début de ses opérations en 2015. Les astronomes amateurs ont même les découvrir .
Mais toutes les supernovae s'illuminent pendant plusieurs mois. La vache n'a pas duré si longtemps. Il n'a éclaté brillamment que pendant environ 16 jours. Sa courte durée excluait une supernova.
'Nous savions tout de suite que cette source était passée d'une luminosité inactive à une luminosité maximale en quelques jours seulement', a déclaré Margutti. 'C'était suffisant pour exciter tout le monde parce que c'était si inhabituel et, selon les normes astronomiques, c'était très proche.'
Trou noir? Ou étoile à neutrons ?
Comme une supernova, la vache était aussi extraordinairement brillante. Mais elle était entre 10 et 100 fois plus lumineuse qu'une supernova. Pour les astronomes, regarder une supernova active est passionnant, mais la vache était autre chose, et personne ne savait quoi. L'excitation et la curiosité se sont propagées.
'Nous avons pensé que ce devait être une supernova', a déclaré Margutti. 'Mais ce que nous avons observé a remis en question nos notions actuelles de mort stellaire.'
Raffaella Margutti, Université du Nord-Ouest
'Nous pensons que' The Cow 'est la formation d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons en accumulation.'
Une équipe d'astronomes dirigée par Raffaella Margutti de la Northwestern University s'est mise au travail. Les astronomes étudient les morts stellaires dans la lumière visible, mais l'équipe a combiné plusieurs types d'observations de différents télescopes pour les aider à comprendre ce qu'ils voyaient. Ils ont analysé la composition chimique de la vache, qui comprenait de l'hydrogène et de l'hélium. Cela a exclu la fusion d'objets compacts comme cause.
Concept d'artiste d'une étoile à neutrons. Crédit : NASA
Ils ont rassemblé des images sous forme de rayons X durs, de rayons X, d'ondes gamma et d'ondes radio. Ils ont utilisé un florilège de télescopes pour étudier la vache, notamment l'observatoire Keck, l'observatoire MMT, le télescope SoAR, NuSTAR, INTEGRAL et XMM Newton pour étudier la vache. Comme ils ne s'appuyaient pas uniquement sur la lumière visible, ils ont pu étudier la vache longtemps après la disparition de son brûlage initial. Ils ont commencé à spéculer sur ce qu'ils voyaient.
«Notre équipe a utilisé des données de rayons X à haute énergie pour montrer que la vache a des caractéristiques similaires à un corps compact comme un trou noir ou un matériau consommant une étoile à neutrons. Mais sur la base de ce que nous avons vu dans d'autres longueurs d'onde, nous pensons qu'il s'agissait d'un cas particulier et que nous avons peut-être observé - pour la première fois - la création d'un corps compact en temps réel.
L'équipe pense avoir été témoin du moment exact où une supernova s'est effondrée pour former un objet compact ; soit un trou noir, soit une étoile à neutrons.
'Nous pensons que' The Cow 'est la formation d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons en accumulation', a déclaré Northwestern. Raffaella Margutti , qui a dirigé la recherche. « Nous savons par théorie que les trous noirs et les étoiles à neutrons se forment lorsqu'une étoile meurt, mais nous ne les avons jamais vus juste après leur naissance. Jamais.'
La vache nue
Les étoiles s'effondrent en trous noirs et en étoiles à neutrons tout le temps. L'événement en lui-même n'est pas vraiment rare. Mais le voir se produire est rare. Margutti et le reste de l'équipe ont pu étudier la vache de si près parce que d'une certaine manière, elle était nue.
Typiquement, lorsqu'une étoile s'effondre dans un trou noir ou une étoile à neutrons, l'événement est caché à la vue à l'intérieur d'un linceul de gaz et de poussière laissé par la supernova précédente. Dans ce cas, il y avait 10 fois moins de matière qu'en temps normal. Les astronomes ont pu regarder directement au cœur de l'événement, appelé « moteur central ».
Typiquement, une supernova est entourée d'un nuage dense d'éjecta. Il s'agit d'une image en mosaïque de Cassiopée A, un vestige de supernova, prise par les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer. Crédit : NASA/JPL-Caltech/STScI/CXC/SAO
'Une' ampoule ' était au fond de l'éjecta de l'explosion', a déclaré Margutti. « Il aurait été difficile de voir cela dans une explosion stellaire normale. Mais The Cow avait très peu de masse d'éjecta, ce qui nous a permis de visualiser directement le rayonnement du moteur central.
La Vache est également proche de nous, en termes astronomiques, ce qui facilite son étude. Elle n'est qu'à 200 millions d'années-lumière, dans la galaxie naine CGCG 137-068.
Margutti et son équipe ont présenté leurs résultats lors de la 233e réunion astronomique américaine la semaine dernière. Leurs résultats sont également publiés dans un papier .
Ou, cela pourrait être quelque chose d'autre
Une autre équipe d'astronomes, dirigée par Paul Kuin, astrophysicien à l'University College London, est parvenue à une conclusion différente. Ils pensent que la vache est une étoile qui a été déchirée dans ce qu'on appelle un 'événement de perturbation de la marée'.
Amy Lien, Université du Maryland, Goddard Space Flight Center de la NASA
'Nous n'avons jamais rien vu d'exactement comme la vache, ce qui est très excitant.'
Un événement de perturbation de marée arrive à une étoile qui s'approche d'un puissant trou noir. La gravité du trou noir déchire l'étoile en un flux de gaz. Le trou noir jette la queue du flux de gaz hors du système de trou noir, mais le bord d'attaque du flux tourbillonne autour du trou et finit par entrer en collision avec lui-même.
« Nous n'avons jamais rien vu de semblable à la vache, ce qui est très excitant », a déclaré Amy Lien, chercheuse scientifique adjointe au Université du Maryland, comté de Baltimore et Centre de vol spatial Goddard de la NASA à Greenbelt, Maryland. 'Nous pensons qu'une perturbation de la marée a créé l'éclatement de lumière rapide et vraiment inhabituel au début de l'événement et explique le mieux les observations multi-longueurs d'onde de Swift alors qu'elle s'estompe au cours des prochains mois.'
Cette deuxième équipe de chercheurs pense que l'étoile qui a été déchiquetée était une naine blanche, le même type d'étoile que deviendra notre Soleil. Ils ont également calculé la taille du trou noir et ont conclu que sa masse serait comprise entre 100 000 et 1 million de fois celle du Soleil. Cela en fait un énorme trou noir, de taille similaire à celui au centre de la galaxie de la vache. Ce serait très inhabituel, mais pas impossible.
'La vache a produit un grand nuage de débris en très peu de temps', a déclaré l'auteur principal Paul Kuin, astrophysicien à Collège universitaire de Londres (UCL). 'Le déchiquetage d'une étoile plus grosse pour produire un nuage comme celui-ci prendrait un trou noir plus gros, entraînerait une augmentation de la luminosité plus lente et prendrait plus de temps pour que les débris soient consommés.'
L'équipe de Kuin a également partagé ses conclusions lors de la 233e réunion de l'AAS, et leurs résultats ont été publiés dans un papier .
Sources:
- Communiqué de presse de l'Université Northwestern : Naissance d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons capturée pour la première fois
- Communiqué de presse de la NASA : La vache sacrée ! Explosion mystérieuse étudiée avec les télescopes de la NASA
- Document de recherche: Une source de rayons X intégrée brille à travers la vache asphérique AT2018 : révélant le fonctionnement interne des transitoires optiques à évolution rapide les plus lumineux
- Document de recherche: Spectres rapides d'AT2018cow : un événement de perturbation des marées de la naine blanche ?