Découverte d’une nouvelle source d’ondes gravitationnelles

De nouvelles observations suggèrent que les explosions cosmiques de kilonovae – des explosions cosmiques immenses qui produisent de l’argent, de l’or et du platine – pourraient être plus fréquentes qu’on ne le pense.

Le 16 octobre 2017, un groupe international d’astronomes et de physiciens a signalé avec enthousiasme la première détection simultanée d’ondes lumineuses et gravitationnelles provenant de la même source – la fusion de deux étoiles à neutrons. Aujourd’hui, une équipe qui comprend plusieurs astronomes de l’Université du Maryland a identifié un parent direct de cet événement historique.

L’objet nouvellement décrit, nommé GRB15010101B, a été signalé comme une salve de rayons gamma localisée par l’observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA en 2015. Les observations de suivi de l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA, du télescope spatial Hubble (HST) et du télescope Discovery Channel (DCT) suggèrent que le GRB15010101B présente des similitudes remarquables avec la fusion des étoiles à neutrons, appelée GW170817, découverte par l’Observatoire à ondes gravitationnelles (LIGO) et observée en 2017 par plusieurs télescopes capteurs de lumière. Une nouvelle étude suggère que ces deux objets distincts pourraient, en fait, être directement liés. Les résultats ont été publiés le 16 octobre 2018 dans la revue Nature Communications.

“C’est un grand pas que de passer d’un objet détecté à deux “, a déclaré l’auteure principale de l’étude, Eleonora Troja, chercheuse scientifique associée au département d’astronomie de l’UMD, avec une nomination conjointe au Goddard Space Flight Center de la NASA. “Notre découverte nous dit que des événements comme GW17081717 et GRB15010101B pourraient représenter une toute nouvelle classe d’objets en éruption qui s’allument et s’éteignent – et pourraient même être relativement communs.”

Troja et ses collègues soupçonnent que le GRB15010101B et le GW17081717 ont été produits par le même type d’événement : une fusion de deux étoiles à neutrons. Ces coalescences catastrophiques ont chacune généré un jet étroit, ou faisceau, de particules à haute énergie. Chacun des jets a produit une courte rafale de rayons gamma intense (GRB), un puissant éclair qui ne dure que quelques secondes. GW17081717 a également créé des ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles, suggérant que cela pourrait être une caractéristique commune des fusions d’étoiles à neutrons.

La correspondance apparente entre le GRB15010101B et le GW170817 est frappante : tous deux ont produit une salve de rayons gamma anormalement faible et de courte durée de vie et tous deux ont été une source de lumière optique bleue brillante et d’émission de rayons X longue durée. Les galaxies hôtes sont également remarquablement similaires, d’après les observations HST et DCT. Les deux sont des galaxies elliptiques brillantes avec une population d’étoiles vieilles de quelques milliards d’années qui ne présentent aucun signe de formation de nouvelles étoiles.

“Nous avons un cas de sosies cosmiques “, a déclaré Geoffrey Ryan, coauteur de l’étude, post-doctorant au Département d’astronomie de l’UMD et membre du Joint Space-Science Institute. “Ils ont le même aspect, la même actions et viennent de voisinages similaires, donc l’explication la plus simple est qu’ils sont de la même famille d’objets.”

Dans le cas du GRB15010101B et du GW170817, l’explosion a probablement été vue “hors axe”, c’est-à-dire sans que le jet pointe directement vers la Terre. Jusqu’à présent, ces événements sont les deux seuls petits GRB hors axe que les astronomes ont identifiés.

L’émission optique du GRB15010101B se situe en grande partie dans la bande bleue du spectre, ce qui indique clairement que cet événement est un autre kilonova, comme on l’a vu dans GW170817. Un kilonova est un éclair lumineux de lumière radioactive qui produit de grandes quantités d’éléments importants comme l’argent, l’or, le platine et l’uranium.

Bien qu’il existe de nombreux points communs entre le GRB15010101B et le GW170817, il existe deux différences très importantes. L’un d’eux est leur emplacement : GW17080817 est relativement proche, à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre, tandis que le GRB15010101B se trouve à environ 1,7 milliard d’années-lumière.

La deuxième différence importante est que, contrairement à GW17081717, il n’existe pas de données sur les ondes gravitationnelles pour GRB15010101B. Sans cette information, l’équipe ne peut pas calculer les masses des deux objets qui ont fusionné. Il est possible que l’événement résulte de la fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons, plutôt que de deux étoiles à neutrons.

“Ce n’est sûrement qu’une question de temps avant qu’un autre événement comme le GW170817 ne fournisse à la fois des données sur les ondes gravitationnelles et des images électromagnétiques. Si la prochaine observation révèle une fusion entre une étoile à neutrons et un trou noir, ce serait vraiment révolutionnaire”, a déclaré Alexander Kutyrev, co-auteur de l’étude et chercheur associé au département d’astronomie de l’UMD, avec une nomination conjointe au Goddard Space Flight Center de la NASA. “Nos dernières observations nous redonnent l’espoir de voir un tel événement d’ici peu.”

Il est possible que quelques fusions comme celles observées dans GW170817 et GRB15010101B aient été détectées précédemment, mais n’aient pas été correctement identifiées par des observations complémentaires dans différentes longueurs d’onde de lumière, selon les chercheurs. En l’absence de telles détections – en particulier, à de plus grandes longueurs d’onde comme les rayons X ou la lumière optique – il est très difficile de déterminer l’emplacement précis des événements qui produisent des rafales de rayons gamma.

Dans le cas du GRB15010101B, les astronomes ont d’abord pensé que l’événement pourrait coïncider avec une source de rayons X détectée par Swift au centre de la galaxie. L’explication la plus probable pour une telle source serait un trou noir supermassif dévorant le gaz et la poussière. Cependant, les observations de suivi avec Chandra ont placé l’événement plus loin du centre de la galaxie hôte.

Selon les chercheurs, même si LIGO avait été opérationnel au début de 2015, il n’aurait très probablement pas détecté les ondes gravitationnelles du GRB15010101B en raison de la plus grande distance de l’événement à la Terre. Quoi qu’il en soit, chaque nouvel événement observé avec lIGO et les multiples télescopes de collecte de lumière ajouteront de nouvelles pièces importantes au puzzle.

“Chaque nouvelle observation nous aide à mieux identifier les kilonovae avec les empreintes spectrales : l’argent crée une couleur bleue, tandis que l’or et le platine ajoutent une nuance de rouge, par exemple “, ajoute Troja. “Nous avons pu identifier ce kilonova sans données d’ondes gravitationnelles, alors peut-être qu’à l’avenir, nous pourrons même le faire sans observer directement une salve de rayons gamma.”

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Ce communiqué de presse a été adapté d’un texte fourni par la NASA.

 

“A luminous blue kilonova and an off-axis jet from a compact binary merger at z=0.1341” Eleonora Troja, Geoffrey Ryan, Luigi Piro, Hendrik van Eerten, S. Bradley Cenko, Yongmin Yoon, Seong-Kook Lee, Myungshin Im, Takanori Sakamoto, Pradip Gatkine, Alexander Kutyrev and Sylvain Veilleux, Nature Communications, October 16, 2018.