Astronomie

Une kilonova est-elle plus grosse qu'une supernova ?

Une kilonova est-elle plus grosse qu'une supernova ?


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Ma question est simple. Une kilonova est-elle plus grosse qu'une supernova ?

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En quoi une kilonova diffère-t-elle d'une nova en termes de…

  • luminosité
  • durée
  • énergie
  • volume d'espace occupé par l'éjecta
  • vitesse d'éjection
  • d'autres métriques ?

Bien qu'il soit un peu difficile de dire ce que "plus grand" signifie dans ce contexte, la réponse est, dans la plupart des sens, non.

Une supernova émet environ dix à cent fois plus d'énergie sous forme de lumière, et cent fois plus de matière est éjectée. (Une supernova avec effondrement du cœur émet sans aucun doute beaucoup plus d'énergie sous forme de neutrinos.) Qu'importe. est éjecté par une kilonova Est-ce que sortir plus vite (30-60 000 km/s, contre environ 10 000 km/s pour les éjectas de supernova).

D'un autre côté, une kilonova émet beaucoup plus d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, elles sont donc plus grosses dans ce sens.


Kilonova

Il y a onze milliards d'années, deux étoiles massives sont nées. Ils ont tous deux vécu une vie courte et brillante, mourant dans des explosions de supernova et laissant derrière eux deux étoiles à neutrons en orbite l'une autour de l'autre. Après une danse cosmique d'un milliard d'années, ces étoiles à neutrons ont finalement fusionné, envoyant une ondulation d'ondes gravitationnelles à travers l'espace et le temps. Ces ondes gravitationnelles ont parcouru plus de cent millions d'années-lumière et ont finalement été ressenties le 17 août 2017 par Advanced LIGO et Virgo à l'aide de leurs détecteurs incroyablement sensibles.

Crédit : Enquête sur l'énergie noire

Notre équipe et d'autres dans le monde sont passées à l'action. Dès que le soleil s'est couché sur les déserts du Chili - moins de douze heures après la détection des vagues - les observations ont commencé à l'aide de la caméra à énergie noire du télescope Victor Blanco de 4 mètres de l'observatoire interaméricain Cerro Tololo.

Pour la première fois dans l'histoire, nous avons relié ces ondes gravitationnelles insaisissables à un compagnon électromagnétique : une kilonova.

Pourquoi les kilonovae sont-elles importantes ? En plus de nous permettre d'étudier la physique extrême dans les objets les plus denses de l'Univers, ces événements seraient responsables de la production de la plupart des éléments lourds tels que l'or et le platine.

Crédit : P. S. Cowperthwaite / E. Berger / DECam

Plus important encore, ce n'est que le début. La découverte de ce « multi-messager », visible à la fois dans les ondes lumineuses et gravitationnelles, marque le début d'une nouvelle ère en physique et en astronomie, et une nouvelle façon de découvrir l'Univers.

Vous pouvez en savoir plus sur notre travail dans notre description technique pour les experts ou en consultant nos huit articles répertoriés ci-dessous. Notre page Dossier de presse présente le communiqué de presse officiel de notre équipe ainsi que des interviews vidéo avec certains des membres de notre équipe.


La détection de 'Kilonova' est une mine d'or astronomique, voici pourquoi

Lundi 16 octobre 2017, 12 h 13 - Pour la première fois, des astronomes ont repéré une « kilonova », une explosion stellaire insaisissable, auparavant uniquement théorique, et cette découverte est non seulement importante pour la science des ondes gravitationnelles, mais peut également résoudre une autre énigme de l'univers.

Il y a 130 millions d'années, dans une autre galaxie, deux étoiles à neutrons en orbite l'une autour de l'autre se sont tellement rapprochées qu'elles ont fusionné. Les forces titanesques produites par cette fusion ont déclenché des ondulations à travers l'espace-temps, connues sous le nom d'ondes gravitationnelles, et très peu de temps après, elles ont également provoqué une immense explosion, 1 000 fois plus lumineuse qu'une nova stellaire typique - une kilonova.

Le 17 août 2017, les ondes gravitationnelles issues de cette fusion ont été captées à la fois par les détecteurs LIGO et VIRGO. C'était la cinquième détection d'ondes gravitationnelles, connue sous le nom de GW170817, mais c'était la première détectée à partir d'une paire d'étoiles à neutrons, et c'est maintenant la première fois que les astronomes ont également repéré l'explosion de kilonova qui l'accompagnait.

REGARDEZ LA VIDÉO CI-DESSOUS POUR EN SAVOIR PLUS

Nova, supernova, kilonova ?

Deux types d'explosions associées aux étoiles - les novae et les supernovae - sont bien connus et ont été observés à de nombreuses reprises par les astronomes. UNE nova se produit lorsqu'une naine blanche - le reste "mort" d'une étoile semblable au Soleil - retire de la matière d'une étoile compagne plus grande, et la gravité intense à la surface de la naine blanche provoque la fusion, l'inflammation et l'expansion de la matière volée dans l'espace . La paire s'éclaircit de manière significative à la suite de cette éruption et peut apparaître comme une nouvelle étoile dans notre ciel nocturne, inspirant ainsi le nom "nova" (qui signifie "nouveau"). UNE supernova est une explosion beaucoup plus énergétique, un million de fois plus lumineuse qu'une nova. Elle peut être causée par l'effondrement d'une étoile massive, en une étoile à neutrons ou un trou noir. Cela peut également se produire de la même manière qu'une nova, sauf qu'au lieu de fusionner uniquement la matière volée, presque toute la masse de la naine blanche subit une fusion, ce qui entraîne une explosion colossale qui détruit tout le reste.

Au cours des 30 dernières années, des physiciens théoriciens ont étudié comment d'autres vestiges stellaires - une paire d'étoiles à neutrons, une paire de trous noirs ou une paire d'étoiles à neutrons et de trou noir - pourraient interagir et fusionner. Ce travail nous a donné les idées derrière les ondes gravitationnelles, et à quoi elles ressembleraient si nous les détections, mais cela nous a aussi donné une idée de ce à quoi devrait ressembler une explosion résultant de la fusion de deux étoiles à neutrons - une « kilonova », ou quoi certains appellent une « macronova ».

On pense que ces explosions de kilonovas sont responsables de la dispersion d'éléments lourds, tels que l'or et le platine, dans tout l'Univers.

Jusqu'à présent, les astronomes n'avaient cependant pas vu l'une de ces kilonovas. Avec la détection du sursaut de lumière de GW170817, ils semblent avoir le premier.

"Les données dont nous disposons jusqu'à présent correspondent étonnamment bien à la théorie", a déclaré Stefano Covino, l'auteur principal d'un article sur l'astronomie de Nature détaillant la détection de la kilonova, selon ESO News. "C'est un triomphe pour les théoriciens, une confirmation que les événements LIGO-VIRGO sont absolument réels, et un exploit pour l'ESO d'avoir rassemblé un ensemble de données aussi étonnant sur la kilonova."

Grâce à cette détection, les astronomes ont pu localiser la source, dans la galaxie NGC 4993, à quelque 130 millions d'années-lumière. Cela fait de cette première kilonova non seulement la première lumière confirmée observée à partir d'un événement d'onde gravitationnelle, mais elle confirme également que GW170817 est l'événement d'onde gravitationnelle le plus proche à ce jour, et également la source de sursaut gamma la plus proche de tous les temps.


Cette mosaïque d'images, prises par le télescope d'enquête infrarouge VISTA à l'Observatoire de Paranal de l'ESO au Chili, montre comment la kilonova dans NGC 4993 - tle point brillant en haut à gauche du centre de la galaxie - s'est éclairci, est devenu beaucoup plus rouge, puis s'est estompé dans les semaines qui ont suivi sa première détection, le 17 août 2017. Crédit : ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan et la collaboration VIN-ROUGE

Encore un mystère résolu ?

En plus de ces jalons de découverte, nous pourrons peut-être en ajouter un autre.

Au fil des ans, le télescope spatial Fermi Gamma de la NASA et le Laboratoire international d'astrophysique des rayons gamma (INTEGRAL) de l'ESA ont détecté un certain nombre de très courtes rafales de rayons gamma, les rayons les plus énergétiques que nous ayons trouvés. Celles-ci ont duré de quelques millisecondes à deux secondes et ont été observées dans tout le ciel. Il a été supposé que ceux-ci pourraient être causés par la fusion de deux étoiles à neutrons, mais leur source est restée un mystère, car il n'y a eu aucun moyen de confirmer cette hypothèse. Indépendamment des nombreux sursauts gamma courts détectés, les astronomes manquaient de preuves à l'appui pour les relier à une source.

Avec cette détection, il semblerait qu'ils aient maintenant cette preuve à l'appui. Voir les ondes gravitationnelles d'une fusion d'étoiles à neutrons apparaître en même temps, et du même endroit, comme l'un de ces courts sursauts gamma montre qu'ils sont liés.


Les physiciens prédisent que les étoiles à neutrons pourraient être plus grosses qu'on ne l'avait imaginé

Une image composite de la supernova 1E0102.2-7219 contient des rayons X de Chandra (bleu et violet), des données de lumière visible de l'instrument MUSE du VLT (rouge vif) et des données supplémentaires de Hubble (rouge foncé et vert). Une étoile à neutrons, le noyau ultra dense d'une étoile massive qui s'effondre et subit une explosion de supernova, se trouve en son centre. Crédit : NASA

Quand une étoile massive meurt, il y a d'abord une explosion de supernova. Ensuite, ce qui reste devient soit un trou noir, soit une étoile à neutrons.

Cette étoile à neutrons est le corps céleste le plus dense que les astronomes puissent observer, avec une masse d'environ 1,4 fois la taille du soleil. Cependant, on sait encore peu de choses sur ces objets impressionnants. Aujourd'hui, un chercheur de la Florida State University a publié un article dans Lettres d'examen physique arguant que de nouvelles mesures liées à la peau de neutrons d'un noyau de plomb pourraient obliger les scientifiques à repenser les théories concernant la taille globale des étoiles à neutrons.

En bref, les étoiles à neutrons pourraient être plus grosses que ne l'avaient prédit les scientifiques.

"La dimension de cette peau, comment elle s'étend plus loin, est quelque chose qui est en corrélation avec la taille de l'étoile à neutrons", a déclaré Jorge Piekarewicz, professeur de physique Robert O. Lawton.

Piekarewicz et ses collègues ont calculé qu'une nouvelle mesure de l'épaisseur de la peau à neutrons du plomb implique un rayon compris entre 13,25 et 14,25 kilomètres pour une étoile à neutrons moyenne. Sur la base d'expériences antérieures sur la peau des neutrons, d'autres théories placent la taille moyenne des étoiles à neutrons à environ 10 à 12 kilomètres.

Les travaux de Piekarewicz complètent une étude, également publiée dans Lettres d'examen physique, par des physiciens de l'expérience Lead Radius (PREX) à l'installation d'accélérateur national Thomas Jefferson. L'équipe PREX a mené des expériences qui leur ont permis de mesurer l'épaisseur de la peau de neutrons d'un noyau de plomb à 0,28 femtomètre, soit 0,28 trillionième de millimètre.

Un noyau atomique est constitué de neutrons et de protons. Si les neutrons sont plus nombreux que les protons dans le noyau, les neutrons supplémentaires forment une couche autour du centre du noyau. Cette couche de neutrons purs s'appelle la peau.

C'est l'épaisseur de cette peau qui a captivé les physiciens expérimentaux et théoriques, car elle peut éclairer la taille et la structure globales d'une étoile à neutrons. Et bien que l'expérience ait été réalisée sur du plomb, la physique est applicable aux étoiles à neutrons, des objets qui sont un quintillion (ou un billion de millions) de fois plus gros que le noyau atomique.

Piekarewicz a utilisé les résultats rapportés par l'équipe PREX pour calculer les nouvelles mesures globales des étoiles à neutrons.

"Il n'y a aucune expérience que nous puissions mener en laboratoire qui puisse sonder la structure de l'étoile à neutrons", a déclaré Piekarewicz. "Une étoile à neutrons est un objet tellement exotique que nous n'avons pas pu le recréer en laboratoire. Ainsi, tout ce qui peut être fait en laboratoire pour nous contraindre ou nous informer sur les propriétés d'une étoile à neutrons est très utile."

Les nouveaux résultats de l'équipe PREX étaient plus importants que les expériences précédentes, ce qui bien sûr affecte la théorie globale et les calculs liés aux étoiles à neutrons. Piekarewicz a déclaré qu'il restait encore du travail à faire sur le sujet et que de nouvelles avancées technologiques ajoutent constamment à la compréhension de l'espace par les scientifiques.

"Cela repousse les frontières du savoir", a-t-il déclaré. "Nous voulons tous savoir d'où nous venons, de quoi est fait l'univers et quel est le destin ultime de l'univers."

D. Adhikari et al. Détermination précise de l'épaisseur de la peau des neutrons de Pb208 par violation de parité dans la diffusion d'électrons, Lettres d'examen physique (2021). DOI : 10.1103/PhysRevLett.126.172502


KILONOVA

Lorsqu'une étoile meurt, elle entre dans une supernova et, selon sa masse, son noyau s'effondre soit dans un trou noir, soit dans une étoile à neutrons, soit dans une naine blanche. UNE kilonova est 1000 fois plus brillante qu'une nova (mais pas beaucoup plus brillante qu'une supernova). Il est généralement produit lorsque deux noyaux stellaires massifs s'effondrent. Dans ce cas, le noyau est un étoile à neutrons. Les étoiles à neutrons sont des objets petits mais extrêmement denses. Pour donner un chiffre, 1 cuillère à café d'étoile à neutrons pèserait 1 milliard de tonnes.

Vous trouverez ci-dessous un gif qui montre ce qui se passerait si un objet se rapprochait trop d'une étoile à neutrons.

Premièrement, il déchiquette les articulations et les connexions de ce corps et déchire morceau par morceau le corps entier en atomes. Cela ne s'arrête pas là. Ces morceaux forment un flux de particules et entrent en collision sur la surface de l'étoile à neutrons avec une vitesse d'environ 100 000 m/s. (Plus d'informations sur l'étoile à neutrons seront discutées plus tard dans un autre blog.)

Le 17 août 2017, une galaxie nommée NGC 4993, distante de 130 années-lumière, a déconcerté les scientifiques. Une explosion unique qui les a intrigués. Celui dont ils n'ont jamais été témoins. UN KILONOVA.

C'était unique en son genre. Personne n'a jamais observé ce genre d'événement auparavant. Un tout nouveau niveau de discussions sur ce que cet événement pourrait être et ce qui aurait pu causer cet événement a été soulevé au sein de la communauté scientifique au cours de cette période.

Jusqu'à ce moment, LIGO observait les ondes gravitationnelles provenant de la collision de trous noirs situés à des milliards de kilomètres. Mais c'était la première fois que les scientifiques pouvaient observer à la fois le rayonnement électromagnétique et les ondes gravitationnelles lors d'un même événement. GW170817 était la cinquième détection par le LIGO.

Image Hubble de NGC 4993 avec en médaillon montrant GRB 170817A sur 6 jours. Crédit : NASA et ESA

"Il y a de rares occasions où un scientifique a la chance d'assister à une nouvelle ère à son début", a déclaré Elena Pian, astronome à l'INAF, Italie, et auteur principal de l'un des articles de Nature. « C'est une de ces périodes ! »

Saisissant cette opportunité, 70 observatoires du monde entier ont observé cet événement. Il libérait également des GRB courts ou Gamma-Ray Burst (qui étaient d'abord considérés comme des « petits hommes verts ») que les scientifiques pensaient alors qu'ils ne seraient émis que par des objets comme les trous noirs.

Les ondulations dans l'espace-temps connues sous le nom d'ondes gravitationnelles sont créées par des masses en mouvement, mais seules les plus intenses, créées par des changements rapides de vitesse d'objets très massifs, peuvent actuellement être détectées. L'un de ces événements est la fusion d'étoiles à neutrons, les noyaux extrêmement denses et effondrés d'étoiles de grande masse laissés après les supernovae. Ces fusions ont jusqu'à présent été la principale hypothèse pour expliquer les sursauts gamma courts. Un événement explosif 1000 fois plus lumineux qu'une nova typique - connu sous le nom de kilonova - devrait suivre ce type d'événement. Et cet événement a produit des rafales de rayons gamma juste après 1,7 seconde après la détection des ondes gravitationnelles. Les GRB sont parmi les événements les plus énergétiques observés dans l'univers. Ils libèrent généralement autant d'énergie en quelques secondes que notre Soleil le fera tout au long de sa vie de 10 milliards d'années.


Deux étoiles à neutrons en spirale dans une danse de la mort, chacune de masse variant de 1,36 à 1,60 masse solaire pour la plus grande et de 1,17 à 1,36 masse solaire pour l'autre. Ils se sont enroulés en spirale jusqu'à ce qu'ils entrent en collision de la manière la plus violente en envoyant des ondes gravitationnelles, des ondes électromagnétiques dans tout l'espace qui ont duré plus de 100 secondes avant de s'estomper avec de courts GRB. Cet événement phénoménal et son observation ont obtenu le prix de la percée de l'année en 2017. Il s'agissait de l'une des détections d'ondes gravitationnelles les plus fortes à ce jour.

La fusion de deux étoiles à neutrons produit une violente explosion appelée kilonova. Un tel événement devrait expulser des éléments chimiques lourds dans l'espace. Cette image montre certains de ces éléments, ainsi que leurs numéros atomiques.

Le signal d'onde gravitationnelle a duré environ 100 secondes à partir d'une fréquence de 24 hertz. Il couvrait environ 3 000 cycles, augmentant en amplitude et en fréquence jusqu'à quelques centaines de hertz dans le modèle typique de chirp en spirale.

On pense que l'événement de fusion d'étoiles à neutrons se traduit par une kilonova, caractérisée par un court sursaut de rayons gamma suivi d'une plus longue rémanence optique alimentée par la désintégration radioactive des noyaux lourds du processus r. Les kilonovae sont candidats à la production de la moitié des éléments chimiques plus lourds que le fer dans l'Univers. On pense qu'un total de 16 000 fois la masse de la Terre en éléments lourds se serait formée, y compris environ 10 masses terrestres uniquement des deux éléments or et platine. Il s'agissait d'une observation multi-messagers.

L'intérêt scientifique de cet événement était énorme ! Les articles scientifiques ont été publiés avec plus de 4000 co-auteurs d'astronomie de plus de 900 institutions.

C'ÉTAIT UNE COLLISION D'ENFER. LA PLUS SPECTACULAIRE ET LA PLUS VIOLENTE, PAR LES ÉTOILES À NEUTRONS.


Des astronomes détectent une rare explosion de kilonova

Les astronomes qui étudient les sursauts gamma de courte durée (GRB) ont détecté une rare explosion de kilonova dans laquelle deux étoiles à neutrons semblent avoir fusionné pour former une étoile à neutrons plus grande appelée magnétar.

« J'étudie ces courts sursauts gamma depuis une décennie maintenant », explique Wen-fai Fong, astrophysicien à la Northwestern University, aux États-Unis. « Juste au moment où vous pensez que vous les avez compris, ils vous lancent une nouvelle tournure. L'Univers produit une telle diversité d'explosions.

Les GRB courts sont de brefs éclairs de rayons gamma, annonciateurs d'événements passionnants dans des galaxies lointaines. "Nous pensons qu'ils proviennent de la fusion de deux étoiles à neutrons", explique Fong. Comme leur nom l'indique, ils arrivent rapidement : là et disparaissent en quelques secondes. Mais ils peuvent être suivis d'une rémanence de tout, des rayons X aux émissions radio et infrarouges.

Cela signifie que lorsqu'un GRB court est détecté, tout le monde est sur le pont pour activer autant de types d'instruments astronomiques que possible, avant que la rémanence ne s'estompe. "C'est un signal qui s'estompe rapidement", dit Fong. « Le sursaut s'estompe entre le moment où vous déjeunez et celui où vous dînez » (bien qu'il soit généralement encore temps de l'étudier pendant quelques jours).

Cette rémanence, dit-elle, suggère que certains GRB courts proviennent d'explosions de kilonova, dans lesquelles la fusion des étoiles à neutrons éjecte une partie de la masse de ces étoiles dans l'espace. (Le nom signifie qu'elles sont environ 1000 fois plus puissantes que les explosions de nova stellaire, bien que beaucoup moins puissantes que les explosions de supernova qui marquent la mort des étoiles géantes.)

Fong le compare à ce qui se passerait si vous essayiez de faire un smoothie et oubliez de mettre le couvercle sur le mélangeur - bien que dans ce cas, ce soient des morceaux d'étoiles à neutrons qui sont projetés partout.

Ces neutrons fusionnent rapidement en isotopes instables d'éléments lourds qui se désintègrent ensuite rapidement en des éléments plus stables, libérant de la chaleur, de la lumière, des rayons X et des ondes radio au cours du processus. Mais pour un GRB court détecté le 22 mai (appelé GRB 200522A), quelque chose ne correspondait pas au modèle.

Lorsque le télescope spatial Hubble était libre de suspendre d'autres observations et de se tourner vers la source du GRB 200522A, trois jours et demi après le GRB, les astronomes ont découvert qu'il émettait 10 fois plus de lumière infrarouge qu'une kilonova normale. "Compte tenu de ce que nous savons de la radio et des rayons X de cette explosion, cela ne correspondait tout simplement pas", a déclaré Fong.

Peu à peu, son équipe s'est rendu compte qu'elle avait vu quelque chose de vraiment inhabituel.

Normalement, les fusions d'étoiles à neutrons produisent des trous noirs. Mais la seule explication que son équipe a pu trouver pour expliquer comment une telle fusion pouvait produire une rémanence dix fois trop brillante dans l'infrarouge était qu'ils avaient assisté à la naissance d'un magnétar.

Les magnétars sont des étoiles à neutrons avec des champs magnétiques extrêmement puissants. Comme il tournait rapidement après la collision qui l'a créé, le champ de ce magnétar transférerait de l'énergie aux débris créés par l'explosion de la kilonova, les chauffant et les faisant briller exactement de la manière observée par Hubble.

C'est déjà assez excitant en soi. Mais même si GRB 200522A se trouve dans une galaxie très, très lointaine, la découverte est également pertinente pour nos vies ici sur Terre.

Les scientifiques pensaient autrefois que les réactions nucléaires dans les explosions de supernova étaient ce qui créait des éléments plus lourds que le fer, dont beaucoup se sont ensuite retrouvés dans les planètes.

Mais cette théorie est dépassée. Maintenant, les scientifiques pensent que si vous avez un anneau en or, il y a de fortes chances que ses atomes aient été forgés dans les brefs incendies de quelque chose qui ressemble à une kilonova d'il y a longtemps. "Nous pensons qu'une grande partie de nos éléments lourds proviennent de ces fusions d'étoiles à neutrons", a déclaré Fong.

La prochaine étape sera le lancement du télescope spatial James Webb de la NASA en octobre 2021. Cet instrument, dit-elle, sera suffisamment sensible pour que s'il y a une autre rafale comme GRB 200522A, il pourra non seulement observer sa rémanence, mais obtenir un spectre de celui-ci, sélectionnant ainsi les éléments spécifiques créés dans la kilonova.

Pendant ce temps, les recherches de l'équipe de Fong devraient être publiées dans Le Journal d'Astrophysique et disponible dès maintenant en pré-impression arXiv.

Richard A Lovett

Richard A Lovett est un écrivain scientifique et auteur de science-fiction basé à Portland, en Oregon. Il contribue fréquemment à Cosmos.

Lisez des faits scientifiques, pas de la fiction.

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Quand les étoiles à neutrons entrent en collision: les scientifiques repèrent l'explosion de Kilonova lors du crash épique de 2016

Les scientifiques ont récemment repéré une usine d'or et de platine dans l'espace, les restes d'une collision massive de cadavres stellaires.

Les éléments précieux ont été formés dans un "kilonova, " ou une explosion épique qui s'est probablement produite lorsque deux étoiles très denses (appelées étoiles à neutrons) se sont cognés l'un contre l'autre. (Une kilonova est un type d'explosion encore plus puissant que la supernova typique qui se produit lorsque de grandes étoiles explosent.)

La puissance de la kilonova provient de la collision d'étoiles à neutrons superdenses, où règne une physique étrange. Ces objets sont les restes de grandes étoiles &mdash une fois plusieurs fois la masse de notre soleil &mdash qui a explosé, laissant derrière lui un noyau dense. Bien que les étoiles à neutrons n'aient que la taille d'une ville, leur masse est environ 1,4 fois celle de notre soleil. Parce qu'ils sont si denses, quand ces collision d'étoiles à neutrons, leurs échos sont visibles sur une grande étendue d'espace.

Maintenant, les scientifiques pensent avoir repéré une telle kilonova dans des données précédemment recueillies qui avaient déconcerté les observateurs à l'époque. Les astronomes ont repéré une explosion de rayons gamma ultra-brillants dans le ciel en août 2016, mais ils n'ont pas compris au départ ce qui se passait.

Puis une petite chose appelée LIGO s'est produite. L'observatoire à ondes gravitationnelles par interféromètre laser incroyablement productif (dont les scientifiques fondateurs avaient déjà remporté un prix Nobel pour une découverte faite par l'observatoire en 2015) a fait un constat historique en 2017 en enregistrant la première observation directe de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les scientifiques ont suivi l'événement dans toutes les longueurs d'onde imaginables, ainsi qu'à travers les ondes gravitationnelles qui ont montré des perturbations dans l'espace.

Inspirés par LIGO, les scientifiques ont revisité leurs étranges données de 2016 et ont eu une agréable surprise. Initialement, les observations de 2016 ne correspondaient pas à ce que les modèles de l'époque prédisaient pour un événement kilonova c'est parce que "presque aucun signal n'est resté" après 10 jours, l'auteur principal Eleonora Troja, astronome et chercheur à l'Université du Maryland, dit dans un communiqué.

"Nous étions tous tellement déçus", a rappelé Troja à propos de leurs premières observations sur l'événement de 2016. Mais la détection de LIGO leur a permis d'examiner les anciennes données avec une nouvelle compréhension. "[Nous] avons réalisé que nous avions effectivement attrapé une kilonova en 2016", a ajouté Troja. "C'était un match presque parfait."

Dans les longueurs d'onde infrarouges, les événements de 2016 et 2017 ont eu des luminosités similaires (ou luminosité intrinsèque) se produisant exactement au même moment. Alors que les scientifiques ont observé ce dernier événement de manière beaucoup plus détaillée que le événement 2016, ce qui distingue le précédent, c'est qu'il y a des informations sur les premières heures de l'explosion de Kilanova. En effet, l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA a suivi le sursaut gamma de 2016 quelques minutes seulement après sa détection, tandis que les observations du sursaut de 2017 ont été retardées d'environ 12 heures.

En comparant les deux événements, les chercheurs ont conclu que les observations de 2016 concernaient probablement également une kilonova formée par la collision de deux étoiles à neutrons. Cela dit, les scientifiques ne savent pas encore si une telle explosion se produirait également lorsqu'un trou noir et une étoile à neutrons fusionner, et si oui à quoi cela ressemblerait.

Troja et ses collègues prévoient d'examiner d'autres explosions passées inspirées par cette découverte et de créer une nouvelle approche des observations futures. En particulier, ils se concentreront sur les événements à forte lumière infrarouge, ce qui suggère que l'explosion produit des métaux lourds tels que or et platine.

Un article basé sur la nouvelle recherche a été publié le 27 août dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.


Hubble voit la kilonova la plus brillante à ce jour

Concept d'artiste du sursaut court de rayons gamma 200522A, le résultat de ce que les scientifiques ont confirmé être la kilonova la plus brillante jamais enregistrée, 10 fois plus lumineuse que le prochain événement observé le plus proche. Image via Center for Astrophysics/ NASA/ ESA/ D. Player (STScI).

Une équipe de scientifiques a déclaré plus tôt ce mois-ci (12 novembre 2020) qu'ils avaient observé le candidat kilonova le plus lumineux jamais découvert. Kilo moyens un millier, et une kilonova porte son nom pour sa luminosité maximale spectaculaire, qui pourrait être 1 000 fois supérieure à celle d'une nova classique ordinaire (mais seulement une fraction aussi brillante qu'une supernova). Celui-ci était associé à un court sursaut gamma – étiqueté GRB 200522A – vu le 22 mai 2020. Les observations du télescope spatial Hubble, faites dans les jours qui ont suivi la découverte, ont montré que le rayonnement de cet événement cosmologique lointain ne correspondait pas au profil que les scientifiques attendaient des kilonovae typiques. Il a brillé autant que 10 fois plus brillante la plupart des kilonovae dans le proche infrarouge, vue depuis Hubble trois jours après les premières observations.

On pense que les sursauts de rayons gamma sont causés lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent dans une violente explosion, et le rayonnement des éléments chauds créés lors de l'explosion crée ce qui est vu de la Terre comme une kilonova.

Concept d'artiste d'une étoile à neutrons. La petite taille et la grande densité de l'étoile lui confèrent une gravité incroyablement puissante à sa surface. Image via Raphael.concorde/ Daniel Molybdenum/ NASA/ Wikimedia Commons.

Selon le journal, qui sera publié dans Le Journal d'Astrophysique et actuellement disponible chez arXiv, la lumière infrarouge associée au GRB 200522A est :

… nettement plus lumineux que n'importe quel candidat kilonova pour lequel des observations comparables existent.

Dirigée par Wen-fai Fong de la Northwestern University, l'équipe a combiné les observations de Hubble, du Very Large Array, du Las Cumbres Observatory Global Telescope et du W.M. Observatoire de Keck. Cependant, Fong a déclaré:

Hubble a vraiment scellé l'affaire dans le sens où il était le seul à détecter la lumière infrarouge. Étonnamment, Hubble n'a pu prendre une image que trois jours après l'éclatement. La résolution spectaculaire de Hubble a également été essentielle pour quantifier la quantité de lumière provenant de la fusion.

Edo Berger, professeur d'astronomie au Centre d'Astrophysique | Harvard & amp Smithsonian, a expliqué:

Les observations de Hubble ont été conçues pour rechercher une émission infrarouge résultant de la création d'éléments lourds tels que l'or, le platine et l'uranium lors d'une collision d'étoiles à neutrons. Étonnamment, nous avons trouvé une émission infrarouge beaucoup plus brillante que ce à quoi nous nous attendions, suggérant qu'il y avait un apport d'énergie supplémentaire d'un magnétar [une étoile à neutrons avec un champ magnétique super puissant] qui était le reste de la fusion.

Concept d'artiste de séquence d'événements dans la formation d'un magnétar, une étoile à neutrons massive et hautement magnétisée. Le 22 mai 2020, des scientifiques ont observé ce qui pourrait être la formation de l'un de ces objets stellaires inhabituels. Les scientifiques pensent que deux étoiles à neutrons sont entrées en collision, provoquant une explosion colossale, laissant le magnétar comme un vestige. Image via CfA/ NASA/ ESA/ D. Player (STScI).

Pourquoi les scientifiques trouvent-ils GRB 200522A différent des autres kilonovae potentielles ? Fong a dit :

Compte tenu de ce que nous savons de la radio et des rayons X de cette explosion, cela ne correspond tout simplement pas. L'émission infrarouge que nous trouvons avec Hubble est beaucoup trop lumineuse. Pour ce qui est d'essayer d'assembler les pièces du puzzle de ce sursaut gamma, une pièce du puzzle ne s'emboîte pas correctement.

Plusieurs possibilités existent. Berger a déclaré :

Que reste-t-il dans une telle collision ? Une étoile à neutrons plus massive ? Un trou noir ? Le fait que nous voyions cette émission infrarouge, et qu'elle soit si brillante, montre que de courts sursauts gamma se forment en effet à partir de collisions d'étoiles à neutrons, mais étonnamment, les conséquences de la collision peuvent ne pas être un trou noir, mais plutôt probablement un magnétar.

Un magnétar fait partie de la famille des étoiles à neutrons : une étoile ultra-dense avec un champ magnétique plus fort que celui de la Terre par un billion de fois. Les magnétars ont une durée de vie courte (selon les normes cosmiques) - peut-être 10 000 ans - et sont la source probable de sursauts radio rapides (FRB). Des observations de suivi en radio quelques années plus tard seront en mesure de confirmer s'il s'agit bien d'un magnétar derrière cette observation étonnamment lumineuse.

Conclusion : les observations du télescope spatial Hubble d'une possible explosion de kilonova associée à un sursaut de rayons gamma ont révélé des niveaux étonnamment élevés de lumière infrarouge. Les scientifiques spéculent que le rayonnement provient d'un magnétar - une étoile à neutrons hautement magnétisée - formée par la fusion de deux étoiles à neutrons.


Pour la première fois, nous avons repéré une collision d'étoiles à neutrons surpuissante

Une fusion d'étoiles à neutrons a envoyé des ondes littérales à travers l'espace-temps.

Quelque chose de grand a explosé dans une galaxie lointaine. Ce n'était pas une nova. Ce n'était pas une supernova. C'était une kilonova, et elle a éclaté avec suffisamment d'énergie pour que quatre télescopes différents surveillant pratiquement tout le spectre d'énergie l'ont captée. Et avant que les astronomes ne voient la moindre preuve visuelle de cette collision cataclysmique, leurs instruments ont capté le mouvement des ondes gravitationnelles envoyant des ondulations à travers le tissu de l'espace-temps.

Dans des recherches publiées aujourd'hui dans trois revues différentes (Nature, Nature Astronomy et Astrophysical Journal Letters), des centaines de physiciens et de collaborateurs décrivent une observation unique en son genre : la fusion insaisissable d'étoiles à neutrons.

"Parce que nous avons vu ce spectacle de lumière qui accompagne l'événement d'onde gravitationnelle, nous pensons qu'au moins un des objets devait être une étoile à neutrons", explique Nergis Mavalvala, professeur au MIT et collaborateur du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO ). L'équipe pense que les deux objets étaient des étoiles à neutrons, "mais en tant que scientifiques, nous ne pouvons pas dire avec certitude" que l'objet le plus lourd n'était pas un petit trou noir.

Les étoiles à neutrons sont les noyaux denses d'étoiles qui sont auparavant devenues des supernovas et ont perdu leur matière extérieure. Si le noyau restant de l'étoile est moins de deux fois et demie la masse du soleil, il devient une boule de six milles de diamètre de matière dense entièrement neutronique. Plus massive, et l'étoile s'effondrera dans un trou noir. Neutron stars are the second densest known objects in the universe after black holes, and both form under similar circumstances.

"The uncertainty comes from the fact that there's no hard boundaries between what mass a neutron star should have and what mass a black hole should have," says Mavalvala.

When the explosion from a neutron star merger occurred in the galaxy NGC 4993, which is 130 million light-years away, it sent physical ripples through the fabric of space-time. These gravitational waves were strong enough that the two LIGO observatories and the European sister station, Virgo, all picked up the signals. Seconds later, the Fermi Gamma-ray Space Telescope saw a bright flash called a short gamma ray burst that lasted two seconds. Then the fireworks of the explosion set off, viewed by several ground-based observatories.

This is the fourth gravitational wave event documented by LIGO in the last two years, although the newest cosmic event is unique. The previous three detections of gravitational waves came from black hole mergers, while this neutron star merger involved much smaller objects and had an optical component as researchers detected the gamma ray burst and light from the the kilonova explosion moments after the gravitational waves.

The collaborative effort between LIGO, Virgo, and multiple additional observatories demonstrates the power of these instruments to find smaller and smaller gravitational events. The Virgo interferometer in Europe was critical to pinpoint the origin of the merger because it's oriented differently from LIGO, allowing the gravitational waves to be traced to the source. If more neutron star mergers occur, collaboration between LIGO and Virgo can allow ground observatories to immediately point their telescopes to the event epicenter like during the NGC 4993 merger.

The new detection of gravitational waves also serves as a benchmark in a new era of astronomy where violent but nearly-invisible cataclysms can be "felt" as they rip through the fabric of space itself.

The event is technically still in progress as researchers continue to measure the incoming gravitational waves here on Earth. The LIGO and Virgo teams don't quite know what is being created at at the center of the cataclysm&mdashit could be a larger neutron star, or the accumulated mass may be enough to collapse into a black hole. Mavalvala says it's hard to even speculate right now because the neutron star merger is the first such event ever observed.

"We're still culling the data," Mavalvala says. "It's just too early to say, and I'm not holding back."


5 Better Candidates Than Betelgeuse For Our Galaxy’s Next Supernova

This five-image composite shows the Crab Nebula as viewed in different wavelengths of light. Le . [+] purple X-rays reveal short-wavelength radiation the cooler, redder colors trace out longer wavelength, lower-temperature material. Today we see the Crab Nebula as the expanding gaseous remnant from a star that self-detonated as a supernova, briefly shining as brightly as 400 million suns. The explosion took place 6,500 light-years away.

NASA, ESA, G. Dubner (IAFE, CONICET-University of Buenos Aires) et al. A. Loll et al. T. Temim et al. F. Seward et al. VLA/NRAO/AUI/NSF Chandra/CXC Spitzer/JPL-Caltech XMM-Newton/ESA and Hubble/STScI

Betelgeuse, a nearby red supergiant, will someday explode.

The black hole at the center of the Milky Way should be comparable in size to the physical extent of . [+] the red giant star Betelgeuse: larger than the extent of Jupiter's orbit around the Sun. Betelgeuse was the first star of all beyond our Sun to be resolved as more than a point of light, but other red supergiants, such as Antares and VY Canis Majoris, are known to be larger.

A. Dupree (CfA), R. Gilliland (STScI), NASA

One of our brightest stars, its recent dimming portends an eventual supernova.

The constellation Orion as it would appear if Betelgeuse went supernova in the very near future. Le . [+] star would shine approximately as brightly as the full Moon, but all the light would be concentrated to a point, rather than extended over approximately half a degree.

Wikimedia Commons user HeNRyKus / Celestia

A “stellar burp” ejected matter, causing Betelgeuse’s temporary, routine faintening.

These four images show Betelgeuse in the infrared, all taken with the SPHERE instrument at the ESO's . [+] Very Large Telescope. Based on the faintening observed in detail, we can reconstruct that a "burp" of dust caused the dimming. Although variability remains larger than it was previously, Betelgeuse has returned to its original, early-2019-and-before brightness.

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Meanwhile, these 5 Milky Way candidates could easily go supernova first.

The atmosphere of Antares, by temperature and size, as inferred from ALMA and VLA data. Whereas . [+] Betelgeuse is large, larger than Jupiter's orbit around the Sun, the extent of Antares goes almost to Saturn as measured by the end of the upper chromosphere, but the luminous Wind Acceleration Zone goes all the way out almost to the extent of Uranus's orbit.

1.) Antarès. Closer and larger than Betelgeuse, massive Antares is

This simulation of a red supergiant's surface, sped up to display an entire year of evolution in . [+] just a few seconds, shows how a "normal" red supergiant evolves during a relatively quiet period with no perceptible changes to its interior processes. There are multiple "dredge-up" periods where material from the core gets transferred to the surface, and this results in the creation of at least a fraction of the Universe's lithium.

Bernd Freytag with Susanne Höfner & Sofie Liljegren

This red supergiant should explode within

The Carina Nebula, with Eta Carina, the brightest star inside it, on the left. What appears to be a . [+] single star was identified as a binary back in 2005, and it's led some to theorize that a third companion was responsible for triggering the supernova impostor event.

ESO/IDA/Danish 1.5 m/R.Gendler, J-E. Ovaldsen, C. Thöne, and C. Feron

2.) Eta Carinae. This famous “supernova impostor” has brightened, historically, numerous times.

The 'supernova impostor' of the 19th century precipitated a gigantic eruption, spewing many Suns' . [+] worth of material into the interstellar medium from Eta Carinae. High mass stars like this within metal-rich galaxies, like our own, eject large fractions of mass in a way that stars within smaller, lower-metallicity galaxies do not. Eta Carinae might be over 100 times the mass of our Sun and is found in the Carina Nebula, but other known stars are more than twice as massive. Some supernova impostors remain stable for centuries others have been caught exploding after only a few years.

NASA, ESA, N. Smith (University of Arizona, Tucson), and J. Morse (BoldlyGo Institute, New York)

Its remaining lifetime could span centuries, or merely years.

The Wolf-Rayet star WR 102 is the hottest star known, at 210,000 K. In this infrared composite from . [+] WISE and Spitzer, it's barely visible, as almost all of its energy is in shorter-wavelength light. The blown-off, ionized hydrogen, however, stands out spectacularly.

Judy Schmidt, based on data from WISE and Spitzer/MIPS1 and IRAC4

3.) WR 102. Wolf-Rayet stars represent the final evolutionary phases for massive stars expelling their outer layers.

The extremely high-excitation nebula shown here is powered by an extremely rare binary star system: . [+] a Wolf-Rayet star orbiting an O-star. The stellar winds coming off of the central Wolf-Rayet member are between 10,000,000 and 1,000,000,000 times as powerful as our solar wind, and illuminated at a temperature of 120,000 degrees. (The green supernova remnant off-center is unrelated.) Systems like this are estimated, at most, to represent 0.00003% of the stars in the Universe.

WR 102 is the hottest: 210,000 K, foreshadowing a stellar cataclysm.

The red arrow points to WR 142: a single, X-ray emitting star at temperatures of 200,000 K. WR 142 . [+] shows an overabundance of oxygen in its spectrum, indicating that the star has cooked up elements up to oxygen in its core, and is well on its way to the iron catastrophe which will trigger the violent death of the star.

L. M. Oskinova, W.-R. Hamann, A. Feldmeier, R. Ignace, Y-H. Chu and ESA

4.) WR 142. The second-hottest Wolf-Rayet star, WR 142’s demise is inevitable.

The Crescent Nebula in Cygnus is powered by the central massive star, WR 136, where the hydrogen . [+] expelled during the red giant phase is shocked into a visible bubble by the hot star at the center. As the star's hydrogen and then helium layers are blown off, it heats up, and as it fuses through heavier successive elements, it gets hotter still. Unless mass loss is severe enough, a supernova will result.

Wikimedia Commons user Hewholooks

Two different ways to make a Type Ia supernova: the accretion scenario (L) and the merger scenario . [+] (R). The merger scenario is responsible for the majority of many of the heavy elements in the Universe, but the accretion mechanism is also responsible for Type Ia events. The system T Coronae Borealis is a red giant-white dwarf combo, where the white dwarf has a mass of 1.37 solar masses: perilously close to the Chandrasekhar limit.

5.) T Coronae Borealis. White dwarfs siphoning mass from red giants can trigger type Ia supernovae.

When a denser, more compact star or stellar remnant comes into contact with a less dense, more . [+] tenuous object, like a giant or supergiant star, the denser object can siphon mass off of the larger one, accreting it onto itself. If the mass exceeds a critical threshold governed by the Pauli Exclusion Principle, a cataclysmic explosion will occur.

David A. Aguilar (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

T Coronae Borealis’s white dwarf now approaches this critical mass threshold.

When a white dwarf close to the Chandrasekhar mass limit accretes enough matter off of a binary . [+] companion, a runaway nuclear fusion reaction will get triggered. This will not only create a Type Ia supernova, but will destroy the white dwarf in the process.

Similarly, 5 common “next supernova” candidates are relatively unlikely.

The Wolf-Rayet star WR 124 and the nebula M1-67 which surrounds it both owe their origin to the same . [+] originally massive star that blew off its outer layers. The central star is now far hotter than what came before, but WR 124 is not the hottest class of Wolf-Rayet star: those are the ones that are depleted of hydrogen and helium but heavily enhanced with oxygen.

ESA/Hubble & NASA Acknowledgement: Judy Schmidt (geckzilla.com)

When two stars or stellar remnants merge, they can trigger a cataclysmic reaction, including . [+] supernovae, gamma-ray bursts, or they can lead to the creation of a hotter, bluer more massive star. In the case of V Sagittae, however, it is not well-accepted that the stars will inspiral and merge later this century, despite recent assertions.

MELVYN B. DAVIES, NATURE 462, 991-992 (2009)

Our next supernova might deliver a multi-messenger trifecta:

A supernova explosion enriches the surrounding interstellar medium with heavy elements. This . [+] illustration, of the remnant of SN 1987a, showcases how the material from a dead star gets recycled into the interstellar medium. In addition to light, we also detected neutrinos from SN 1987a. With the LIGO and Virgo detectors now functional, it's possible that the next supernova within the Milky Way will yield a triple multi-messenger event, delivering particles (neutrinos), light, and gravitational waves all together.

Mostly Mute Monday tells an astronomical story in images, visuals, and no more than 200 words. Talk less smile more.