La fusion d’étoiles à neutrons donne un magnétar avec le kilonova le plus brillant jamais observé – Science

Après avoir examiné le sursaut incroyablement brillant avec des longueurs d’onde optiques, radiographiques, proche infrarouge et radio, une équipe d’astrophysique dirigée par l’Université Northwestern pense qu’elle a potentiellement repéré la naissance d’un magnétar.

Les chercheurs pensent que le magnétar a été formé par la fusion de deux étoiles à neutrons, ce qui n’a jamais été observé auparavant. La fusion a abouti à une brillante kilonova – la plus brillante jamais vue – dont la lumière a finalement atteint la Terre le 22 mai 2020. La lumière est d’abord venue comme une explosion de rayons gamma, appelée un court sursaut gamma.

«Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, le résultat le plus courant est qu’elles forment une étoile à neutrons lourde qui s’effondre dans un trou noir en quelques millisecondes ou moins», a déclaré Wen-fai Fong de Northwestern, qui a dirigé l’étude. “Notre étude montre qu’il est possible que, pour ce court sursaut gamma particulier, l’objet lourd ait survécu. Au lieu de s’effondrer dans un trou noir, il est devenu un magnétar: une étoile à neutrons à rotation rapide qui a de grands champs magnétiques, déversant de l’énergie dans son environnement environnant et créant la lueur très brillante que nous voyons. “

La recherche a été acceptée par Le journal astrophysique et sera publié en ligne plus tard cette année.

Fong est professeur adjoint de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences du Nord-Ouest et membre du CIERA (Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaire en astrophysique). La recherche a impliqué deux étudiants de premier cycle, trois étudiants diplômés et trois boursiers postdoctoraux du laboratoire de Fong.

‘Un nouveau phénomène s’est produit’

Après que la lumière ait été détectée pour la première fois par l’observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA, les scientifiques ont rapidement enrôlé d’autres télescopes – y compris le télescope spatial Hubble de la NASA, le Very Large Array, l’observatoire WM Keck et le réseau de télescope mondial de l’observatoire Las Cumbres – pour étudier les conséquences de l’explosion. et sa galaxie hôte.

L’équipe de Fong s’est rapidement rendu compte que quelque chose n’allait pas.

Par rapport aux observations aux rayons X et radio, l’émission dans le proche infrarouge détectée avec Hubble était beaucoup trop brillante. En fait, il était 10 fois plus lumineux que prévu.

«Au fur et à mesure que les données arrivaient, nous formions une image du mécanisme qui produisait la lumière que nous voyions», a déclaré le co-investigateur de l’étude, Tanmoy Laskar de l’Université de Bath au Royaume-Uni. «Au fur et à mesure que nous avons obtenu les observations de Hubble, nous avons dû changer complètement notre processus de pensée, parce que les informations ajoutées par Hubble nous ont fait comprendre que nous devions abandonner notre pensée conventionnelle et qu’il y avait un nouveau phénomène en cours. Ensuite, nous avons dû comprendre sur ce que cela signifiait pour la physique derrière ces explosions extrêmement énergétiques. “

Monstre magnétique

Fong et son équipe ont discuté de plusieurs possibilités pour expliquer la luminosité inhabituelle – connue sous le nom de court sursaut gamma – que Hubble a vue. Les chercheurs pensent que les sursauts courts sont causés par la fusion de deux étoiles à neutrons, des objets extrêmement denses sur la masse du soleil comprimée dans le volume d’une grande ville comme Chicago. Alors que la plupart des sursauts gamma courts aboutissent probablement à un trou noir, les deux étoiles à neutrons qui ont fusionné dans ce cas peuvent s’être combinées pour former un magnétar, une étoile à neutrons supermassive avec un champ magnétique très puissant.

“Vous avez essentiellement ces lignes de champ magnétique qui sont ancrées à l’étoile qui tournent à environ 1 000 fois par seconde, et cela produit un vent magnétisé”, a expliqué Laskar. “Ces lignes de champ tournantes extraient l’énergie de rotation de l’étoile à neutrons formée lors de la fusion, et déposent cette énergie dans les éjectas de l’explosion, faisant briller le matériau encore plus.”

“Nous savons que les magnétars existent parce que nous les voyons dans notre galaxie”, a déclaré Fong. «Nous pensons que la plupart d’entre eux se sont formés lors de la mort explosive d’étoiles massives, laissant derrière elles ces étoiles à neutrons hautement magnétisées. Cependant, il est possible qu’une petite fraction se forme dans les fusions d’étoiles à neutrons. Nous n’avons jamais vu de preuves de cela auparavant, encore moins. en lumière infrarouge, ce qui rend cette découverte spéciale. “

Kilonova étrangement brillant

Les kilonovae, qui sont généralement 1 000 fois plus brillants qu’une nova classique, devraient accompagner de courts sursauts gamma. Unique à la fusion de deux objets compacts, les kilonovae brillent de la désintégration radioactive des éléments lourds éjectés lors de la fusion, produisant des éléments convoités comme l’or et l’uranium.

“Nous n’avons qu’une seule kilonova confirmée et bien échantillonnée à ce jour”, a déclaré Jillian Rastinejad, co-auteur de l’article et étudiante diplômée du laboratoire de Fong. “Il est donc particulièrement excitant de trouver une nouvelle kilonova potentielle qui semble si différente. Cette découverte nous a donné l’occasion d’explorer la diversité des kilonovae et de leurs objets restants.”

Si la luminosité inattendue vue par Hubble provenait d’un magnétar qui a déposé de l’énergie dans le matériau kilonova, alors, dans quelques années, le matériau éjecté de la rafale produira une lumière qui apparaît à des longueurs d’onde radio. Des observations radio de suivi peuvent finalement prouver qu’il s’agissait d’un magnétar, conduisant à une explication de l’origine de ces objets.

“Maintenant que nous avons un candidat très brillant, kilonova”, a déclaré Rastinejad, “je suis enthousiasmé par les nouvelles surprises que les sursauts gamma courts et les fusions d’étoiles à neutrons nous réservent à l’avenir.”

L’étude a été soutenue par la National Science Foundation (numéros de prix AST-1814782 et AST-1909358) et la NASA (numéro de programme 15964).