Une étoile a explosé en supernova en avalant une étoile à neutrons ou un trou noir

On a un peu l’impression que la nouvelle de SF intitulée « Super Neutron », d’Isaac Asimov, devient réalité avec la détection de la source radio VT 1210+4956. Elle serait le produit de l’explosion en supernova d’une étoile géante bleue déclenchée par le fait qu’elle aurait avalé une étoile à neutrons, voire un trou noir.

La majorité des étoiles dans la Voie lactée sont des étoiles doubles, certaines sont triples, voire quadruples comme c’est le cas de Zêta de la Grande Ourse, traditionnellement appelée Mizar. Les astrophysiciens modernes en connaissent la raison. Les étoiles naissent dans des nuages moléculaires poussiéreux qui se fragmentent par effondrement gravitationnel, ce qui veut dire qu’un fragment se fragmente lui-même en donnant justement le plus souvent une étoile double.

Il arrive qu’en fait le système binaire ne soit que faiblement lié et que, peu de temps après sa naissance, les deux astres se séparent. On pense que cela a peut-être été le cas du Soleil qui aurait donc un frère jumeau quelque part dans notre Galaxie, avec un âge et une composition chimique très similaires.

Souvent, dans un système binaire, l’une des étoiles est plus massive que l’autre et elle va évoluer plus vite au point parfois d’exploser en supernovae SN II, laissant derrière elle une étoile à neutrons et parfois un trou noir. La seconde étoile peut avoir le même sort plus tard et on suppose que c’est pour cette raison qu’il existe des systèmes binaires d’étoiles à neutrons et de trous noirs, systèmes dont la découverte se fait notamment lorsqu’ils finissent par entrer en collision et émettent alors copieusement des ondes gravitationnelles que détectent sur Terre des instruments comme Virgo et Ligo.

Il n’est pas rare non plus de trouver une étoile en mode géante rouge dont de la matière est arrachée par les forces de marée gravitationnelle d’un trou noir ou d’une étoile à neutrons qui s’entourent alors d’un disque d’accrétion signalant la présence de l’astre compact par de fortes émissions de rayons X.

La radioastronomie, des pulsars aux objets de Thorne–Żytkow
Au milieu des années 1970, comme Futura l’expliquait dans le précédent article ci-dessous, le futur prix Nobel de Physique Kip Thorne — l’un des pionniers de l’astrophysique relativiste des astres compacts — a publié conjointement avec sa collègue polonaise Anna Zytkow des travaux montrant ce qui pouvait également se passer lorsqu’une étoile à neutrons ou un trou noir dans un système binaire se retrouvaient avalés par une géante ou une supergéante rouge ; le même phénomène peut se produire avec des étoiles célibataires en collision mais uniquement dans des amas stellaires, là où la densité et donc la probabilité de collision entre étoiles n’est pas négligeable comme dans la cas des étoiles de notre Voie lactée.

Une étoile à neutrons pouvait ensuite plonger en spirale vers le cœur de la géante pour former un nouvel objet qui peut être suffisamment stable. On parle alors d’objet de Thorne-Żytkow (TŻO ou TZO). Il peut évoluer au cours du temps en donnant une étoile à neutrons entouré d’un disque d’accrétion ou tout simplement s’effondrer en donnant un trou noir. Jusqu’à présent, deux astres étaient candidats au titre d’objet TZO mais sans que l’on puisse vraiment le prouver.

Une variante de ce scénario, exposée dans un article de Science, semble avoir été identifiée par un groupe de chercheurs ayant utilisé les données collectées en premier par le réseau de radiotélescopes du Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). Le 7 septembre 2017, le VLA a en effet débuté une campagne d’observations au Nouveau-Mexique, destinée à cartographié 80 pour cent du ciel en trois phases sur sept ans, il devrait cataloguer environ 10 millions de radiosources. C’est donc l’une des plus grandes observations radio de tout le ciel depuis 40 ans. Incidemment, c’est aussi grâce à la radioastronomie que l’on a démontré l’existence des étoiles à neutrons en découvrant à la fin des années 1960 les premiers pulsars.

Cette même année 2017, une source radio VT 1210+4956 particulièrement lumineuse, qui ne se trouvait pas sur les précédents catalogues, s’est rapidement signalée aux chercheurs dans le ciel de l’hémisphère Nord observé avec le VLA dans le cadre du Very Large Array Sky Survey (VLASS). Intrigué, ils l’ont regardée aussi dans la bande de longueur d’onde d’un télescope cette fois-ci. Ils en ont conclu qu’elle se trouvait dans la banlieue d’une galaxie naine formant des étoiles et située à environ 480 millions d’années-lumière de la Voie lactée. VT 1210+4956 se trouve clairement associée aussi à une récente source transitoire très lumineuse dans le domaine des rayons X.

Des ondes de choc qui font briller un tore de gaz
En combinant ces informations, une première image à commencé à émerger, celle de l’explosion d’une supernova dont l’onde de choc a fini par rejoindre et entrer en collision avec une coquille de matière émise par l’étoile génitrice de la supernova. L’analyse des données indique que la matière de la coquille a été éjectée par l’étoile il y a environ 300 ans, formant plus précisément un tore. Enfin, c’était la première fois que l’on voyait une association d’une source radio de ce genre avec une émission transitoire mais intense de rayons X.

L’explication la plus probable de toutes ces observations fait donc intervenir un système binaire avec des étoiles massives dont l’un a évolué en devenant une étoile à neutrons ou un trou noir. Il y a environ 300 ans, l’astre compact a commencé à pénétrer dans les couches supérieures de l’étoile compagne, une étoile bleue encore sur la séance principale et qui était destinée à exploser à son tour en supernova.

Toujours en orbite autour du centre de masse du système à l’intérieur de la géante bleue et descendant en spirale vers le cœur de l’étoile, l’astre compact a provoqué une éjection aussi en spirale dans son plan orbital d’une partie du plasma de l’étoile. La matière encore chaude est entrée en expansion en dehors de l’étoile pour former un tore.

Une fois l’astre compact au cœur de l’étoile, il s’est entouré d’un disque d’accrétion et a produit, alors que s’amorçait en réponse l’explosion en supernova, deux jets de matière perçant l’étoile et accompagnés de l’émission transitoire de rayons X. La supernova se serait produite en raison de la déstabilisation du cœur de la géante bleue à l’arrivée de l’astre compact, ce qui aurait perturbé les réactions thermonucléaires et déclencher l’effondrement gravitationnel classique d’une supernova SN II.

Finalement, comme expliqué précédemment, c’est l’onde de choc de l’explosion finissant par rattraper rapidement le tore en expansion qui l’aurait conduit à devenir brillant dans le domaine radio. Tout ce scénario est résumé par le schéma en 4 étapes ci-dessous avec comme astre compact un trou noir.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/univers-etoile-explose-supernova-avalant-etoile-neutrons-trou-noir-51693/

Cet amas de galaxies se déplace le long d’une « autoroute intergalactique »

Grâce à plusieurs télescopes, les scientifiques ont pu voir un amas de galaxies en train de se déplacer le long d’une sorte d’« autoroute intergalactique ». L’amas voyage le long d’un filament, une bande de gaz chaud.

Un amas de galaxies a été observé en train d’emprunter une « autoroute intergalactique ». L’amas galactique, nommé « Northern Clump » (qu’on pourrait tenter de traduire par « amas du nord »), semble se déplacer sur un filament qui avait déjà été identifié auparavant, détaille un communiqué de l’observatoire de rayons X Chandra le 2 juillet 2021. Une étude déposée le 28 juin sur arXiv, soumise à la revue Astronomy & Astrophysics, relate la découverte.

L’amas Northern Clump se trouve à environ 690 millions d’années-lumière de notre planète. Le filament est quant à lui une bande de gaz chaud étendue sur 50 millions d’années-lumière. C’est le fait que l’amas de galaxies se déplace le long de ce filament, tel un véhicule roulant sur une autoroute, qui est la nouveauté identifiée par les scientifiques.

LES DONNÉES DE PLUSIEURS TÉLESCOPES RÉUNIES
Les observations de plusieurs télescopes ont permis d’observer le phénomène. Ici, les données du télescope XMM-Newton de l’ESA sont représentées en bleu et celles du télescope Chandra en violet. L’amas de galaxies a également été observé dans l’optique et l’infrarouge (orange, bleu, vert), ainsi que dans le domaine radio (rouge), avec l’Australian Square Kilometre Array Pathfinder.

Comme le résume le communiqué de l’observatoire Chandra, chacun de ces télescopes a pu apporter des données importantes et complémentaires sur le système et le phénomène à l’œuvre. Grâce aux données optiques, il a été possible de voir les galaxies de l’amas. Avec XMM-Newton, les gaz chauds de l’amas ont pu être observés. Chandra a permis de distinguer du gaz chaud évoluant autour d’un trou noir supermassif, situé au milieu d’une des galaxies se trouvant au centre de l’amas.

Source : https://www.numerama.com/sciences/725802-cet-amas-de-galaxies-se-deplace-le-long-dune-autoroute-intergalactique.html

Courbure de l’espace-temps et trous noirs : découverte de douze nouveaux mirages gravitationnels

Saint-Exupéry écrivait : « Les étoiles sont belles à cause d’une fleur que l’on ne voit pas ». Il n’imaginait alors certainement pas à quel point cette prose s’appliquerait à la récente découverte de douze nouveaux mirages gravitationnels – des « trèfles cosmiques à quatre feuilles » – par une équipe internationale d’environ 20 chercheurs, pour la plupart Belges et Français.

Ces « mirages cosmiques » sont en fait constitués des images multiples d’un seul et même objet d’arrière-plan : un trou noir supermassif engloutissant gaz et matière à un rythme effréné, équivalant à plusieurs dizaines de fois la masse de la terre par minute. Le cri d’agonie de ce gaz est une gigantesque production d’énergie et de lumière, faisant de ces ogres cosmiques appelés « quasars » des objets parmi les plus lumineux de l’Univers. Cette émission de lumière est due à l’échauffement du gaz lors de sa chute vers le trou noir, d’ordinaire difficile à détecter.

La lumière des quasars en question met une dizaine de milliards d’années à nous parvenir. Nous sommes les témoins contemporains de ce repas cosmique qui s’est déroulé lorsque l’Univers était âgé de deux à trois milliards d’années seulement, à une époque où ces trous noirs étaient encore entourés d’une quantité importante de gaz permettant de maintenir le processus d’accrétion actif. Ces nouvelles lentilles gravitationnelles ont une utilité toute particulière en cosmologie. En effet, elles permettent d’étudier la distribution de matière noire dans les galaxies déflectrices et, parmi d’autres méthodes, d’estimer le taux d’expansion de l’Univers, qui est encore à l’heure actuelle toujours sujet à de vifs débats et études.

Comment la lumière des quasars est démultipliée
Durant son long périple à travers le cosmos, il arrive que cette lumière rencontre une galaxie, c’est-à-dire un amas composé de centaines de milliards d’étoiles. Pour un alignement presque parfait entre le quasar, la galaxie et l’observateur, la galaxie joue alors le rôle de « lentille gravitationnelle » : elle amplifie la lumière du quasar d’arrière-plan et peut, dans certaines conditions, produire des images multiples et déformées de ce quasar.

Au premier abord, il peut être surprenant d’imaginer que cette galaxie agisse sur la lumière sans interaction directe avec elle, comme cela serait le cas pour une lentille optique classique via ses propriétés de réfraction. Une analogie commune à cette apparente contradiction est celle des mirages atmosphériques où après une chaude journée d’été, l’air au ras du sol est plus chaud que l’air situé un peu plus haut. Ce gradient de température produit alors une déviation des rayons lumineux, qui se traduit par l’observation de ce qui est probablement le plus connu des mirages : celle d’une étendue d’eau sur un paysage plat, le bleu du ciel se miroitant alors au travers de cette lentille atmosphérique.

Dans le cas des lentilles cosmiques, un autre type d’interaction est à l’œuvre. En effet, la relativité générale, élaborée par Albert Einstein au début du XXe siècle, nous apprend que la présence d’une masse déforme l’espace-temps en son voisinage, donnant de ce fait une explication formelle à l’origine des « forces gravitationnelles » qui rebutaient jusqu’alors les physiciens. Cette courbure locale de l’espace-temps affectant tout aussi bien les objets massifs que les objets dépourvus de masse, elle fait tout autant tomber les pommes sur terre qu’elle permet de dévier les rayons lumineux passant à proximité d’étoiles, de galaxies et même d’amas de galaxies. Cette courbure joue alors le rôle du gradient de température des mirages atmosphériques pour le cas des lentilles cosmiques, d’où leur nom de « lentille gravitationnelle ».

Les effets de telles lentilles peuvent être simulés de manière très réaliste au moyen d’une lentille en forme de pied d’un verre à vin : on peut produire de multiples images de la source d’arrière-plan (ici, pour une source ponctuelle) dans une simple expérience de laboratoire, représentée à gauche sur l’image. Certaines de ces images sont déformées et agrandies, de manière assez similaire à ce qui est observé pour le cas réel du mirage gravitationnel RXJ1131 (au centre). Enfin, dans le cas d’un alignement parfait entre la source, le déflecteur et l’observateur, tel qu’illustré par l’expérience de laboratoire à droite, un anneau de lumière peut être produit, anneau également observé parmi les lentilles gravitationnelles connues, où il prend le nom d’« anneau d’Einstein ».

Comment les astrophysiciens utilisent les lentilles gravitationnelles
Ces lentilles gravitationnelles ne sont pas qu’une curiosité observationnelle. Elles consacrent le génie humain dans la faculté qu’il a à comprendre et à modéliser le monde qui l’entoure.

Dans un article précurseur de 1964, Sjur Refsdal montra que le taux d’expansion de l’univers, la fameuse constante de Hubble-Lemaître, peut être mesuré grâce à l’observation des décalages vers le rouge (l’élongation de la longueur d’onde de la lumière, équivalent à un rougissement, est due à l’expansion de l’Univers) de la galaxie déflectrice et du quasar d’arrière-plan, ainsi qu’à la mesure du décalage temporel entre les moments d’arrivée d’un même signal observé dans les différentes images du mirage gravitationnel. En effet, les quasars alternant des périodes de jeûne et d’abondance, ces derniers peuvent présenter une luminosité intrinsèque variable. Les rayons lumineux issus du quasar suivent ensuite des chemins optiques différents, donc de longueurs différentes, et tout soubresaut de luminosité du quasar sera perçu de manière différée dans le temps dans chacune des images du mirage.

Dans le même article, Sjur Refsdal pose les premières briques de la détermination de la masse des galaxies déflectrices à partir de la position et de l’amplification associées à chacune des images du quasar. Par comparaison entre la masse de matière visible dans les galaxies et celle estimée sur base de la méthode des lentilles gravitationnelles, les scientifiques peuvent détecter la présence et étudier la distribution de matière noire au sein des galaxies déflectrices.

Source : https://theconversation.com/courbure-de-lespace-temps-et-trous-noirs-decouverte-de-douze-nouveaux-mirages-gravitationnels-161009