La première confirmation directe de la formation des trous noirs et des étoiles à neutrons

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Les étoiles à neutrons, et plus encore les trous noirs, fascinent les astrophysiciens et le grand public depuis quelques décennies. Parmi les chercheurs les plus célèbres pour le grand public au moins et associés aux trous noirs, on trouve bien sûr Stephen Hawking, Roger Penrose et Kip Thorne, tous dans le monde anglo-saxon. En France, on pourrait citer Thibault Damour et Jean-Pierre Luminet. Mais bien d’autres noms prestigieux à l’échelle mondiale pourraient et devraient même être ajoutés pour les spécialistes, comme ceux de Chandrasekhar et Starobinski.

Ces chercheurs se sont essentiellement illustrés par des travaux théoriques, mais depuis l’âge d’or de la théorie des trous noirs, des années 1960 aux années 1970, les observations sont venues conforter les spéculations théoriques, par exemple grâce à l’astronomie des rayons X et plus récemment des ondes gravitationnelles.

Une des questions étudiées est celle de l’origine des trous noirs et aussi des astres compacts que sont les étoiles à neutrons. On avait des raisons de penser qu’ils prenaient naissance à l’occasion de l’explosion d’étoiles massives s’effondrant gravitationnellement mais, pour la première fois, des observations presque en direct de ce scénario, qu’elles confortent donc, viennent d’être fournies par deux équipes indépendantes d’astronomes qui ont déposé à ce sujet deux articles sur arXiv. Articles qui sont publiés aujourd’hui dans les célèbres journaux Nature et The Astrophysical Journal Letters.

Ces observations concernent une supernova survenue en 2022 dans l’un des bras spiraux de la galaxie NGC 157 à environ 75 millions d’années-lumière de la Voie lactée. On doit la découverte de SN 2022jli initialement à l’astronome amateur sud-africain Berto Monard.

Des données collectées avec l’aide du Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire européen austral (ESO) et du New Technology Telescope (NTT) de l’ESO également servent de base aux travaux aujourd’hui publiés et qui s’ajoutent à une saga qui avait commencé au début des années 1930, avec la découverte du neutron et le début des conceptions modernes sur les novae et les supernovae que l’on doit aux astrophysiciens Walter Baade et Fritz Zwicky.

Rappelons ce que Futura avait déjà expliqué à ce sujet.


Un début de présentation de l’histoire de la théorie des étoiles à neutrons. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © University of Sydney

La découverte bientôt centenaire des supernovae

Les deux hommes avaient en effet pris conscience qu’il fallait introduire en astronomie une nouvelle catégorie de novae, ces étoiles transitoires très brillantes apparaissant une seule fois dans le ciel pour ensuite disparaître à jamais et dont certaines ont été observées par les bâtisseurs du ciel qu’étaient Tycho Brahe et Johannes Kepler pour qui il s’agissait d’étoiles nouvelles (novae, en latin).

Le nom qu’ils proposent alors va faire fortune : supernovae.

En compagnie de Rudolph Minkowski, astronome et neveu du célèbre mathématicien Hermann Minkowski, Walter Baade se rend compte que ces supernovae (SN) peuvent également être séparées en deux types, en fonction de leurs raies spectrales et des caractéristiques des courbes de lumière montrant l’évolution dans le temps de leur luminosité. D’autres divisions s’ajouteront, mais ces travaux sont à l’origine de la classification moderne avec des SN II et les SN Ia.

Walter Baade et Fritz Zwicky comprennent surtout que certaines supernovae sont des explosions gigantesques accompagnant l’effondrement gravitationnel d’étoiles qui vont devenir des étoiles à neutrons. L’idée est simple, en s’effondrant, la matière est comprimée au point de forcer bon nombre des électrons des atomes à se combiner avec les protons des noyaux, la réaction donnant des neutrons et des émissions de neutrinos très énergétiques. Si l’effondrement ne se poursuit pas en donnant un trou noir, ce qui reste de l’étoile occupe alors un volume sphérique de quelques dizaines de kilomètres de diamètre tout en contenant une masse de l’ordre de celle du Soleil, avec une surface contenant peut-être beaucoup de fer conducteur et très certainement des ions avec des électrons libres.

Mais c’est vraiment Oppenheimer et ses étudiants à la fin des années 1930 qui vont donner une base théorique plus sérieuse aux idées de Baade et Zwicky, tout en allant plus loin en posant également les bases de la théorie des trous noirs.

En 1967, quand Jocelyn Bell fait la découverte de pulsation périodique étrange dans le domaine radio alors qu’elle est en thèse avec Antony Hewish – qui obtiendra le prix Nobel en 1974 à sa place pour cette découverte –, la chercheuse est bien loin d’avoir à l’esprit qu’elle vient de découvrir la preuve de l’existence des étoiles à neutrons. Mais très rapidement, les astrophysiciens Franco Pacini et Thomas Gold, eux, vont faire le lien et poser les bases qui conduiront tout aussi rapidement à proposer des modèles pour expliquer le rayonnement radio de ce que nous appelons depuis les pulsars.

Trou noir ou étoile à neutrons ? Une question de masse

De nos jours, ces scénarios ont été complétés par des observations de multiples étoiles à neutrons et de candidat au titre de trous noirs stellaires depuis environ 50 ans.

On considère généralement qu’il faut une étoile d’au moins 8 à 10 masses solaires qui épuise son carburant thermonucléaire en quelques millions d’années. L’étoile s’effondre alors et donne une supernova de type II, associée à des cadavres stellaires. On pense que lorsque l’étoile génitrice de la SN II est en dessous de quelques dizaines de masses solaires, elle va surtout donner des étoiles à neutrons, mais au-dessus de 30 masses solaires, il sera nettement plus fréquent que l’effondrement se produise au point de former un trou noir d’une dizaine de masses solaires tout au plus.

Attention toutefois, si l’on veut être rigoureux… Les supernovae de type Ia ont donc une courbe de lumière et un spectre caractéristique et proviennent de l’explosion complètement destructrice d’une ou deux naines blanches, ne laissant aucun cadavre stellaire. Mais quand on a voulu affiner la classification des supernovae, celle de type I a donné naissance aux types Ib et Ic, qui elles sont aussi causées par un effondrement gravitationnel d’une étoile massive ayant épuisé son carburant thermonucléaire et ne produisant donc plus dans son cœur la libération d’un flot de photons s’opposant à l’effondrement. Une Ic est plus spécifiquement le produit d’une étoile massive ayant éjecté avant sa mort ses couches d’hydrogène et en partie d’hélium externe.

Comme les étoiles naissent le plus souvent en paire, on aura donc souvent aussi un astre compact associé à une étoile qui ne va pas tarder à son tour à exploser et c’est pourquoi on connaît plusieurs systèmes avec deux étoiles à neutrons et d’autres avec un trou noir ou une étoile à neutrons accrétant de la matière de son étoile compagne par ses forces de marée.

Mais, revenons à SN 2022jli. Son explosion a donc été découverte en 2022 sur Terre et les astronomes ont tout de suite entrepris d’étudier les variations caractéristiques de la courbe de lumière de ce genre d’événement ainsi que d’autres phénomènes visibles associés.

Un système binaire avec accrétion périodique de matière

Curieusement, la courbe de lumière montrait des variations périodiques surimposées à la courbe habituelle d’une supernova de type SN Ic. « Dans les données de SN 2022jli, nous observons une séquence répétitive d’éclaircissement et d’affaiblissement », explique ainsi dans le communiqué de l’ESO Thomas Moore, doctorant à l’université Queen’s de Belfast, en Irlande du Nord, qui a dirigé l’étude de la supernova publiée à la fin de l’année dernière dans l’Astrophysical Journal. « C’est la première fois que des oscillations périodiques répétées, sur de nombreux cycles, sont détectées dans la courbe de lumière d’une supernova », ajoute-t-il.

Ping Chen, chercheur à l’Institut Weizmann des sciences, en Israël, et auteur principal de l’article publié aujourd’hui dans Nature, a fait la même constatation avec les membres de son équipe qui a également repéré des mouvements périodiques d’hydrogène gazeux et des bouffées de rayons gamma dans le système.

Les chercheurs, en utilisant les données disponibles, sont arrivés au même scénario. Ces variations sont produites par l’existence d’un astre compact nouvellement formé, trou noir ou étoile à neutrons, en orbite autour d’une étoile qui a survécu à l’explosion, et qui est resté gravitationnellement lié au cadavre stellaire né en même temps que SN 2022jli.

En pénétrant périodiquement dans l’enveloppe de matière en expansion autour de l’astre compact, l’étoile restante y comprime le plasma, provoquant donc des variations d’émissions de lumière. L’astre compact lui-même en s’approchant de cette étoile y arrache périodiquement de la matière alimentant périodiquement un disque d’accrétion qui se met également à briller.


Des astronomes ont découvert un lien direct entre la mort explosive d’étoiles massives et la formation des objets les plus compacts et les plus énigmatiques de l’Univers : les trous noirs et les étoiles à neutrons. Cette vidéo résume la découverte. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ESO

C’est la première fois que l’on a une preuve de l’existence d’un astre compact aussi précocement lié à l’apparition d’une supernova et on peut donc considérer de façon convaincante que c’est la première preuve directe qu’un astre compact se forme bien juste au moment de l’apparition d’une SN par effondrement gravitationnel (SN II, SN Ic et SN Ib), comme le veut la théorie.



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