Les trous noirs n’alimentent pas toujours les sursauts gamma, selon de nouvelles recherches –


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  • Les sursauts gamma (GRB) ont été détectés par des satellites en orbite autour de la Terre sous la forme d’éclairs lumineux du rayonnement gamma le plus énergétique durant des millisecondes à des centaines de secondes. Ces explosions catastrophiques se produisent dans des galaxies lointaines, à des milliards d’années-lumière de la Terre.

    Un sous-type de GRB connu sous le nom de GRB de courte durée prend naissance lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision. Ces étoiles ultra-denses ont la masse de notre Soleil réduite à la moitié de la taille d’une ville comme Londres, et dans les derniers instants de leur vie, juste avant de déclencher un GRB, elles génèrent des ondulations dans l’espace-temps – connues des astronomes comme ondes gravitationnelles.

    Jusqu’à présent, les scientifiques de l’espace étaient largement d’accord sur le fait que le « moteur » alimentant ces sursauts énergétiques et de courte durée doit toujours provenir d’un trou noir nouvellement formé (une région de l’espace-temps où la gravité est si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s’en échapper). Cependant, de nouvelles recherches menées par une équipe internationale d’astrophysiciens, dirigée par le Dr Nuria Jordana-Mitjans de l’Université de Bath au Royaume-Uni, remettent en question cette orthodoxie scientifique.

    Selon les résultats de l’étude, certains GRB de courte durée sont déclenchés par la naissance d’une étoile supramassive (autrement connue sous le nom de rémanent d’étoile à neutrons) et non d’un trou noir.

    Le Dr Jordana-Mitjans a déclaré: « De telles découvertes sont importantes car elles confirment que les étoiles à neutrons nouveau-nées peuvent alimenter certains GRB de courte durée et les émissions lumineuses à travers le spectre électromagnétique qui les accompagnent. Cette découverte peut offrir une nouvelle façon de localiser les neutrons. les fusions d’étoiles, et donc les émetteurs d’ondes gravitationnelles, lorsque nous cherchons des signaux dans le ciel. »

    Théories concurrentes

    On en sait beaucoup sur les GRB de courte durée. Ils commencent leur vie lorsque deux étoiles à neutrons, qui se rapprochent de plus en plus, accélérant constamment, finissent par s’écraser. Et depuis le site de l’accident, une explosion en jet libère le rayonnement gamma qui fait un GRB, suivi d’une rémanence de plus longue durée. Un jour plus tard, la matière radioactive qui a été expulsée dans toutes les directions lors de l’explosion produit ce que les chercheurs appellent une kilonova.

    Cependant, ce qui reste précisément après la collision de deux étoiles à neutrons – le « produit » du crash – et par conséquent la source d’énergie qui donne à un GRB son énergie extraordinaire, fait depuis longtemps l’objet de débats. Les scientifiques sont peut-être maintenant plus près de résoudre ce débat, grâce aux conclusions de l’étude dirigée par Bath.

    Les scientifiques de l’espace sont partagés entre deux théories. La première théorie veut que les étoiles à neutrons fusionnent pour former brièvement une étoile à neutrons extrêmement massive, seulement pour que cette étoile s’effondre ensuite dans un trou noir en une fraction de seconde. La seconde soutient que les deux étoiles à neutrons donneraient une étoile à neutrons moins lourde avec une espérance de vie plus longue.

    Ainsi, la question qui taraude les astrophysiciens depuis des décennies est la suivante : les GRB de courte durée sont-ils alimentés par un trou noir ou par la naissance d’une étoile à neutrons à longue durée de vie ?

    À ce jour, la plupart des astrophysiciens ont soutenu la théorie du trou noir, convenant que pour produire un GRB, il est nécessaire que l’étoile à neutrons massive s’effondre presque instantanément.

    Signaux électromagnétiques

    Les astrophysiciens découvrent les collisions d’étoiles à neutrons en mesurant les signaux électromagnétiques des GRB résultants. On s’attendrait à ce que le signal provenant d’un trou noir diffère de celui provenant d’un reste d’étoile à neutrons.

    Le signal électromagnétique du GRB exploré pour cette étude (nommé GRB 180618A) a clairement indiqué au Dr Jordana-Mitjans et à ses collaborateurs qu’un reste d’étoile à neutrons plutôt qu’un trou noir devait avoir donné lieu à cette sursaut.

    En élaborant, le Dr Jordana-Mitjans a déclaré: « Pour la première fois, nos observations mettent en évidence plusieurs signaux d’une étoile à neutrons survivante qui a vécu au moins un jour après la mort de l’étoile à neutrons binaire d’origine. »

    La professeure Carole Mundell, co-auteure de l’étude et professeure d’astronomie extragalactique à Bath, où elle occupe la chaire Hiroko Sherwin d’astronomie extragalactique, a déclaré : « Nous étions ravis de capter la toute première lumière optique de ce court sursaut gamma – quelque chose c’est encore largement impossible à faire sans utiliser un télescope robotique.Mais lorsque nous avons analysé nos données exquises, nous avons été surpris de constater que nous ne pouvions pas l’expliquer avec le modèle standard de trou noir à effondrement rapide des GRB.

    « Notre découverte ouvre un nouvel espoir pour les prochaines études du ciel avec des télescopes tels que l’observatoire Rubin LSST avec lequel nous pourrions trouver des signaux de centaines de milliers d’étoiles à neutrons à longue durée de vie, avant qu’elles ne s’effondrent pour devenir des trous noirs. »

    Disparition de la rémanence

    Ce qui a d’abord intrigué les chercheurs, c’est que la lumière optique de la rémanence qui a suivi GRB 180618A a disparu après seulement 35 minutes. Une analyse plus approfondie a montré que le matériau responsable d’une émission aussi brève se dilatait à une vitesse proche de la vitesse de la lumière en raison d’une source d’énergie continue qui le poussait par derrière.

    Ce qui était plus surprenant, c’est que cette émission avait l’empreinte d’une étoile à neutrons nouveau-née, à rotation rapide et fortement magnétisée, appelée magnétar milliseconde. L’équipe a découvert que le magnétar après GRB 180618A réchauffait le matériau restant de l’accident alors qu’il ralentissait.

    Dans GRB 180618A, l’émission optique alimentée par magnétar était mille fois plus brillante que ce qui était attendu d’un kilonova classique.

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