Une nouvelle étude a révélé que lorsque les étoiles à neutrons entrent en collision, les explosions qu’elles créent sont parfaitement sphériques.

Cela contredit les théories précédentes associées aux explosions connues sous le nom de kilonovae, qui suggèrent qu’elles doivent se produire sous la forme de disques aplatis. Mais la raison pour laquelle ces explosions prennent une forme sphérique est encore entourée de mystère.

Les kiloons sont importants pour notre compréhension de l’évolution cosmique car c’est dans les conditions extrêmes créées par ces explosions cosmiques massives que des éléments lourds tels que l’or, le platine et l’uranium sont synthétisés.

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Le résultat final de la kilonova est une étoile à neutrons fusionnée dite « supermassive » qui s’effondre rapidement pour former un trou noir. Mais d’autres détails sur ces événements restent largement inconnus, de sorte que toute information sur les collisions qui les ont provoquées est une poussière d’or métaphorique pour les astrophysiciens.

Kilonova a été détectée pour la première fois en 2017 et l’explosion cosmique s’est produite à environ 140 millions d’années-lumière de la Terre. En analysant les données de cette puissante explosion, les astrophysiciens ont découvert de manière inattendue que les étoiles kilon sont sphériques.

« Personne ne s’attendait à ce que l’explosion soit comme ça. Cela n’a aucun sens que ce soit sphérique, comme une balle. Mais nos calculs montrent clairement que c’est le cas », co-auteur de l’étude Darak Watson, professeur associé à l’Institut Niels Bohr de Copenhague. dit dans un communiqué (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

L’auteur principal de l’étude, Albert Sneppen, doctorant à l’Institut Niels Bohr, a expliqué pourquoi la découverte de la forme sphérique de la kilonova de 2017 était si inattendue. « Vous avez deux étoiles ultra-compactes qui tournent l’une autour de l’autre 100 fois par seconde avant de s’effondrer », a-t-il expliqué. « Notre intuition et tous les modèles précédents disent que le nuage d’explosion créé par la collision devrait avoir une forme aplatie et plutôt asymétrique. »

La forme sphérique de l’étoile kilon indique aux chercheurs qu’une physique inattendue peut se produire lorsque deux étoiles à neutrons tournent ensemble et fusionnent.

« Le moyen le plus probable de rendre l’explosion sphérique est qu’une énorme quantité d’énergie se précipite hors du centre de l’explosion et aplatisse une forme qui serait autrement asymétrique », a déclaré Snappen. « Ainsi, la forme sphérique nous indique qu’il y avait probablement beaucoup d’énergie dans le noyau de collision, ce qui était imprévu. »

L’équipe pense que le secret de la forme sphérique de la kilonova pourrait résider dans la brève existence d’une étoile à neutrons hypermassive créée par fusion et son effondrement rapide dans un trou noir.

« Peut-être qu’une sorte de ‘bombe magnétique’ est créée au moment où l’énergie de l’énorme champ magnétique de l’étoile à neutrons hypermassive est libérée alors que l’étoile s’effondre dans un trou noir », a déclaré Watson. « La libération d’énergie magnétique peut conduire au fait que le matériau de l’explosion sera distribué de manière plus sphérique. Dans ce cas, la naissance d’un trou noir peut être très énergétique.

Bien que cette théorie puisse expliquer la forme sphérique de la kilonova, elle ne parvient pas à expliquer une autre caractéristique inattendue découverte par les astrophysiciens.

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Les modèles précédents des kilons supposaient que tous les éléments qu’ils forgeaient devaient être plus lourds que le fer. Des éléments extrêmement lourds tels que l’or ou l’uranium doivent se former à différents endroits dans la kilonova que des éléments relativement plus légers tels que le strontium ou le krypton. Ces éléments plus légers et plus lourds doivent également être lancés dans l’espace dans différentes directions avec une puissante explosion.

Mais en regardant la kilonova de 2017, l’équipe n’a trouvé que des éléments plus légers et a également remarqué qu’ils étaient uniformément répartis dans l’espace. Les chercheurs pensent que les neutrinos, particules élémentaires fantomatiques qui interagissent faiblement avec la matière, pourraient être responsables de cet aspect inattendu de leurs observations.

« Une idée alternative est que dans les millisecondes de la durée de vie d’une étoile à neutrons supermassive, elle émet un rayonnement très puissant, comprenant peut-être un grand nombre de neutrinos », a déclaré Snappen. «Les neutrinos peuvent transformer les neutrons en protons et en électrons et ainsi créer des éléments plus légers en général. Cette idée a aussi des défauts, mais nous pensons que les neutrinos jouent un rôle encore plus important que nous ne le pensions.

La découverte que les explosions de kilonova sont sphériques pourrait également aider à faire la lumière sur l’énergie noire, une force mystérieuse qui représente environ 70% du contenu total en énergie et en matière du cosmos et qui semble provoquer l’accélération de l’expansion de l’univers.

Il existe actuellement un grand écart entre les mesures du taux d’expansion de l’univers faites en observant des supernovae lointaines, les explosions cosmiques qui se produisent lorsque les étoiles meurent et les prédictions de la physique des particules de ce taux.

Une illustration d'une kilonova et d'un sursaut de rayons gamma, le bleu représentant le matériau comprimé et le rouge représentant le matériau éjecté par deux étoiles à neutrons en orbite autour de l'objet combiné qu'elles ont créé.

Une illustration d’une kilonova et d’un sursaut de rayons gamma, le bleu représentant le matériau comprimé et le rouge représentant le matériau éjecté par deux étoiles à neutrons en orbite autour de l’objet combiné qu’elles ont créé. (Crédit image : Aaron M. Geller/Northwestern/CIERA et IT Research Computing Services)

« Il y a beaucoup de discussions parmi les astrophysiciens sur la vitesse d’expansion de l’univers. La vélocité nous indique, entre autres, l’âge de l’univers », a expliqué Snappen. « Et les deux méthodes qui existent pour le mesurer divergent d’environ un milliard d’années. Ici, nous pouvons avoir une troisième méthode qui peut être étendue et testée par rapport à d’autres mesures.

Connaître la forme de la kilonova est essentiel pour transformer ces événements cosmiques en règle. En effet, un objet non sphérique émet de la lumière dans une orientation différente selon l’angle sous lequel il est vu, tandis qu’une explosion sphérique produit un rayonnement plus uniforme quelle que soit l’orientation. Cela pourrait conduire à une plus grande précision dans la mesure des distances cosmiques et ainsi déduire le taux d’expansion de l’univers et son taux d’accélération.

L’équipe de recherche a déclaré qu’avant que les étoiles kilon puissent être utilisées comme outils de mesure, les questions restantes soulevées par cette découverte doivent être résolues, ce qui signifie que davantage d’observations des fusions d’étoiles à neutrons sont nécessaires.

Ils espèrent que la poursuite des travaux des observatoires d’ondes gravitationnelles, tels que le Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, ou LIGO en abrégé, qui suivent les minuscules ondulations dans le tissu spatial déclenchées par ces fusions, permettra ces observations de kilonova.

La nouvelle étude a été publiée en ligne en février. 15 en nature (s’ouvrira dans un nouvel onglet). (s’ouvrira dans un nouvel onglet)

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