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Le spin rapide a-t-il retardé l’effondrement des étoiles à neutrons en 2017 dans un trou noir ?

Dans la représentation de cet artiste, la fusion de deux étoiles à neutrons pour former un trou noir (caché dans un renflement lumineux au centre de l’image) a généré des jets de particules opposés à haute énergie (bleu) qui chauffent le matériau autour des étoiles, les faisant émettre des rayons X (nuages ​​rougeâtres). ). L’observatoire de rayons X de Chandra détecte toujours les rayons X de l’événement aujourd’hui. Ils peuvent être causés par une onde de choc dans la matière autour du trou noir, ou par une chute violente de matière dans le trou noir (un disque jaunâtre autour du renflement central). Crédit : données de rayons X de la NASA, du CXC et de la Northwestern Univ./A. argumentant. Visible par NASA/CXC/M. Weiss

Lorsque deux étoiles à neutrons tournent l’une vers l’autre et fusionnent pour former un trou noir – un événement enregistré en 2017 par des détecteurs d’ondes gravitationnelles et des télescopes du monde entier – se transformeront-elles instantanément en un trou noir ? Ou faut-il un certain temps pour s’effondrer avant l’effondrement gravitationnel à travers l’horizon des événements dans un trou noir ?


Notes en cours pour 2017 fusionnement Par le Chandra X-ray Observatory, un télescope rotatif, ce dernier suggère : que l’objet compact est resté coincé autour de lui, probablement seulement pendant une seconde, avant de subir un effondrement final.

La preuve se présente sous la forme d’une radiographie ultérieure de la fusion, étiquetée GW170817, qui ne serait pas attendue en cas de fusion étoiles à neutrons Il s’est instantanément effondré dans un trou noir. L’aurore peut être interprétée comme un rebond de matière compactée neutron étoiles, qui labourait et chauffait la matière autour des étoiles à neutrons binaires. Ce matériau maintenant chaud a gardé les restes brillants régulièrement pendant plus de quatre ans après que la fusion a jeté le matériau vers l’extérieur dans ce qu’on appelle kilonova. Les émissions de rayons X d’un jet de matière que Chandra a détecté peu de temps après la fusion seraient encore faibles maintenant.

Alors que les émissions excessives de rayons X observées par Chandra pourraient provenir de débris dans un disque d’accrétion en orbite autour du trou noir et éventuellement tomber dans le trou noir, l’astrophysicienne Raffaella Margotti de l’Université de Californie à Berkeley, favorise l’hypothèse de l’effondrement tardif, qui a été prédit en théorie.

« Si la fusion des étoiles à neutrons devait s’effondrer directement dans un trou noir sans phase intermédiaire, il serait très difficile d’expliquer l’excès de rayons X que nous voyons maintenant, car il n’y aurait pas de surface solide pour que les choses rebondissent », a déclaré Margotti, professeur agrégé d’astronomie et de physique à UC Berkeley : « Ils volent à grande vitesse pour créer cette rémanence. « Vous allez tomber dedans. C’est fait. La vraie raison pour laquelle je suis scientifiquement excité est parce que nous pourrions voir quelque chose de plus depuis l’avion. Nous pourrions enfin obtenir des informations sur le nouvel objet compact. »

Margotti et ses collègues, dont la première auteure Abrajita Hajila, qui était l’étudiante diplômée de Margotti lorsqu’elle était à l’Université Northwestern avant de déménager à l’UC Berkeley, rapportent leur analyse aux rayons X dans un article récemment accepté pour publication dans Lettres du journal astrophysique.

Le spin rapide a-t-il retardé l'effondrement des étoiles à neutrons en 2017 dans un trou noir ?

Les sources de rayons X de Chandra, dont, ci-dessus, un trou noir formé par la fusion de deux étoiles à neutrons et observé pour la première fois en 2017. Crédit : NASA, CXC, Northwestern Univ./A. Hagelah

Éclat radieux Kilonova

Les ondes gravitationnelles générées par la fusion ont été détectées pour la première fois le 17 août 2017 par l’Observatoire avancé des ondes gravitationnelles laser (LIGO) en collaboration avec Virgo. Des télescopes et des satellites au sol ont été rapidement suivis pour enregistrer une onde de rayons gamma, des émissions visibles et infrarouges ensemble. confirmer la théorie Ce nombre objets lourds Ils sont produits suite à de telles fusions au sein de projectiles chauds qui produisent une kilonova brillante. Kilonova brille en raison de la lumière émise lors de la désintégration d’éléments radioactifs, tels que le platine et l’or, qui sont produits dans les débris de fusion.

Chandra a également pivoté pour observer GW170817, mais n’a vu aucun rayon X jusqu’à neuf jours plus tard, indiquant que la fusion a également produit d’étroits jets de matière qui, lorsqu’ils entrent en collision avec la matière entourant les étoiles à neutrons, émettent un cône de rayons X. qui a initialement manqué la Terre. . Ce n’est que plus tard que la tête de l’avion s’est agrandie et a commencé à émettre des rayons X dans le jet le plus large visible depuis le sol.

Les émissions de rayons X de l’avion ont augmenté pendant 160 jours après la fusion, après quoi elles ont augmenté régulièrement à mesure que l’avion ralentissait et se développait. Mais Hajela et son équipe notent qu’à partir de mars 2020 – environ 900 jours après la fusion – jusqu’à la fin de 2020, le déclin s’est arrêté et les émissions de rayons X sont restées à peu près constantes en luminosité.

« Le fait que les rayons X aient cessé de s’estomper si rapidement était la meilleure preuve que nous avions encore de détecter quelque chose ainsi qu’un jet dans les rayons X à cette source », a déclaré Margotti. « Il semble qu’une source complètement différente de rayons X soit nécessaire pour expliquer ce que nous voyons. »

Les chercheurs suggèrent que l’excès de rayons X est causé par une onde de choc différente des jets de fusion. Ce choc était le résultat de l’effondrement retardé des étoiles à neutrons fusionnées, probablement parce que leur rotation rapide a si brièvement contrecarré l’effondrement gravitationnel. En s’enroulant pendant une seconde supplémentaire, le matériau entourant les étoiles à neutrons a obtenu un rebond supplémentaire qui a produit une queue très rapide de projectiles kilonova qui ont créé le choc.

« Nous pensons que l’émission de lueur après kilonova est causée par un matériau choqué dans le milieu circulaire », a déclaré Margotti. « C’est un matériau qui se trouvait dans l’environnement des deux étoiles à neutrons qui ont été impactées et chauffées par le bord le plus rapide d’un projectile kilonova, entraînant l’onde de choc. »

Le rayonnement ne nous atteint que maintenant, a-t-elle dit, car il a fallu du temps pour que le projectile lourd kilonova soit ralenti dans un environnement à faible densité et pour convertir l’énergie cinétique du projectile en chaleur par les chocs. C’est le même processus qui produit la radio et les rayons X d’un avion, mais comme l’avion est beaucoup plus léger, il est instantanément ralenti par l’environnement et brille dans les rayons X et les radios depuis les premiers temps.

Le spin rapide a-t-il retardé l'effondrement des étoiles à neutrons en 2017 dans un trou noir ?

La fusion de deux étoiles à neutrons a donné lieu à un trou noir (central, blanc) et à un sursaut gamma à partir d’un jet étroit ou d’un faisceau de particules de haute énergie, représenté en rouge. Au début, l’avion était étroit et indétectable par Chandra, mais au fil du temps, le matériau dans l’avion a ralenti et s’est élargi (en bleu) lorsqu’il est entré en collision avec le matériau environnant, provoquant une émission de rayons X élevée lorsque l’avion est entré en vue directe par Chandra. Il est possible que ce jet et son homologue en sens inverse aient été provoqués par la chute de matière sur le trou noir après sa formation. Crédit : NASA/CXC/K. Devona

Les chercheurs notent qu’une autre explication est que les rayons X proviennent de la chute de matière vers le trou noir qui s’est formé après la fusion des étoiles à neutrons.

« Ce sera la première fois que nous verrons des aurores kilonova ou la première fois que nous verrons de la matière tomber dans un trou noir après une fusion d’étoiles à neutrons », a déclaré le co-auteur Joe Bright, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley. « Aucun résultat ne serait très excitant. »

Chandra est désormais le seul observatoire encore capable de détecter la lumière de cette collision cosmique. Cependant, les observations de suivi par Chandra et les radiotélescopes peuvent faire la distinction entre des explications alternatives. Si la rémanence est d’une kilonova, on s’attend à ce que l’émission radio soit à nouveau détectée dans les prochains mois ou années. Si des rayons X étaient produits par la chute de matière sur un trou noir nouvellement formé, la sortie de rayons X devrait soit rester constante, soit décliner rapidement, et aucune émission radio ne serait détectée au fil du temps.

Margutti espère que LIGO, Virgo et d’autres télescopes capteront les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques de plus de fusions d’étoiles à neutrons afin que la chaîne d’événements précédant et suivant la fusion puisse être déterminée avec plus de précision et aider à révéler la physique de la formation des trous noirs. Jusque-là, GW170817 est le seul exemple disponible pour étude.

« Une étude plus approfondie de GW170817 pourrait avoir des implications de grande envergure », a déclaré la co-auteure Kate Alexander, chercheuse postdoctorale également de l’Université Northwestern. « La découverte des aurores de Kilonova qui ont suivi signifie que la fusion n’a pas immédiatement produit un trou noir. Au lieu de cela, cet objet peut offrir aux astronomes l’occasion d’étudier comment la matière tombe sur le trou noir quelques années après sa naissance. »

Margotti et son équipe ont récemment annoncé que le télescope Chandra avait détecté des rayons X dans les observations de GW170817 faites en décembre 2021. L’analyse de ces données est toujours en cours. Aucune détection radio associée aux rayons X n’a ​​été rapportée.


L’aurore de Kilonova a été observée pour la première fois


Plus d’information:
L’émergence d’une nouvelle source de rayons X issue de la fusion binaire d’une étoile à neutrons GW170817, arXiv : 2104.02070 [astro-ph.HE] arxiv.org/abs/2104.02070

la citationLe spin rapide a-t-il retardé l’effondrement des étoiles à neutrons en 2017 dans un trou noir ? (2022, 5 mars) Extrait le 5 mars 2022 de https://phys.org/news/2022-03-rapid-collapse-neutron-stars-black.html

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