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La diversité des étoiles

Sursaut gamma dans l'objet GRB 130603B survenu en 2003. La naine blanche à l'origine de cette explosion se situe à 4 milliards d'années-lumière. Document NASA/ESA/STScI.

Les étoiles neutrons (VII)

Kilonova et processus r

Il est difficile de placer la kilonova dans une catégorie précise car elle présente à la fois les caractéristiques d'une supernova ou d'une nova et celles d'une étoile compacte. Mais vu qu'il s'agit vraisemblablement d'un astre de petite taille et compact, il paraît plus logique de le compter parmi ces derniers, sachant que tout classement est arbitraire.

Une kilonova également appelée "supernova à processus r" est un astre qui devient soudainement aussi brillant que 1000 novae soit 1/10e à 1/100e de la luminosité d'une supernova. Comme l'ont démontré N.Tanvir et son équipe en 2013 dans la revue "Nature", ce type d'objet serait la principale source d'éléments lourds et stables produits par le processus r de nucléosynthèse déjà entrevu à propos du Soleil.

Dans le cas d'une kilonova, le processus r produit non seulement des éléments lourds mais il les désintègre également en produisant un intense flux de rayonnements, de particules et des ondes gravitationnelles (cf. LIGO). Cette explosion est accompagnée de rayons gamma, les émissions les plus intenses de l'univers. Elles ne peuvent donc être émises que dans des circonstances particulières liées à des conditions extrêmes que les astrophysiciens commencent seulement à comprendre.

Ce type d'objet est encore mal identifié. En théorie, il existe peu de processus capables d'atteindre un tel niveau d'énergie pendant quelques secondes. Il s'agit soit de l'explosion d'une étoile compacte (naine blanche ou étoile neutron) soit de la fusion d'un astre avec un objet compact. On pense naturellements à deux étoiles neutrons ou d'une étoile neutron et d'un trou noir, y compris un trou noir primordial. Au cours de la fusion des deux astres, le flux est éjecté de manière quasi isotrope à l'image de l'explosion d'une supernova de faible masse.

L'explosion survenue en 2003 dans l'objet GRB 130603B que l'on voit à droite fut accompagnée d'une très puissante émission de rayons gamma mais également de rayons X et ce qui est plus rare de rayonnements radioélectriques. Elle fut d'abord considérée comme le résultat de la fusion de deux étoiles neutrons (cf. cette analyse contradictoire) avant que les spectres ne confirment qu'il s'agissait de l'éruption cataclysmique d'une étoile naine blanche située à 4 milliards d'années-lumière (z=0.356) !

Le sursaut gamma détecté par le satellite SWIFT et photographié en lumière blanche par le satellite Hubble dura à peine 0.2 seconde. Selon les chercheurs, l'explosion correspondit à la libération d'une énergie isotrope équivalente à 1051 ergs soit dix mille milliards de fois l'éclat du Soleil et l'objet atteignit la magnitude visuelle de 20.81. Ensuite son flux et sa luminosité chutèrent sur une période de plusieurs jours pour finalement disparaître dans le néant.

La contrepartie optique de GW170817

Le 16 octobre 2017, l'ESO annonça officiellement la découverte de la contrepartie visible d'une source d'onde gravitationnelle découverte deux mois plus tôt par l'interféromètre LIGO en collaboration avec Virgo et cataloguée GW170817. La source était située dans la galaxie NGC 4993 située à environ 130 millions d'années-lumière dans la constellation de l’Hydre. Cette émission d'ondes gravitationnelles fut accompagnée d'un bref flash de rayons gamma et fut le résultat de la fusion de deux étoiles neutrons.

A gauche, la galaxie NGC 4993 située à environ 130 millions d'années-lumière dans la constellation de l’Hydre. Au centre, observation de la contrepartie optique du signal GW170817 et du flash gamma dans la galaxie NGC 4993 par le Télescope Spatial Hubble. A droite, illustration de la fusion de deux étoiles neutrons à l'origine de l'émission d'ondes gravitationnelles (GW170817) détectées le 17 août 2017 par LIGO et Virgo. Documents ESO, ESO/ESA/STScI et Robin Dienel/CIS.

L'évènement de nature explosive présentait une luminosité 1000 fois supérieure à celle d’une nova classique et correspondrait à celui d'une kilonova. L'analyse spectrale effectuée grâce au NTT et au VLT indiqua la présence de platine, d'uranium et probablement de césium et de tellure parmi d'autres éléments lourds issus des réactions de fusions thermonucléaires. De l'or a même été produit dans une quantité estimée à la masse de la Terre ! C'est la première fois qu'on identifia concrètement l'effet d'un processus r (cf. le Soleil), le faisant enfin sortir des limbes des modèles théoriques.

Les Fast Radio Bursts (FRB)

Les "Fast Radio Bursts", FRB en abrégé, sont des sursauts radios d'une durée de quelques millisecondes émis par des objets du ciel profond dont on ignore la nature et l'origine (à ne pas confondre avec les GRB d'une période bien plus longue). Les FRB sont également appelés "sursauts de Lorimer" par référence à l'astronome Duncan R. Lorimer de l'Université de West Virginia, spécialiste des objets compacts (trou noir, étoile neutron, pulsar, naine blanche, etc.) qui découvrit le premier FRB dans le Petit Nuage de Magellan en 2007.

A ce jour, près d'une trentaine de FRB ont été détectés par les radiotélescopes dont celui de Parkes (64 m de diamètre) en Australie et d'Arecibo (305 m de diamètre) à Porto Rico.

On a longtemps cru que ces objets étaient situés dans la Galaxie jusqu'à ce qu'on localise certaines sources dans des galaxies situées à plusieurs milliards d'années-lumière.

Ainsi en 2016, Evan Keane de l'organisation SKA (Square Kilometre Array) et son équipe sont parvenus à associer une source FRB avec une galaxie elliptique située à environ 6 milliards d'années-lumière dans la constellation du Grand Chien. 

La source FRB 121102 située dans une galaxie située à 2.4 milliards d'années-lumière. Doc Gemini Obs.

En 2017, le doctorant astronome Mitsuru Kokubo et ses collègues ainsi que l'équipe dirigée par le radioastronome Cees G. Bassa ont montré que la source FRB 121102 est associée à une gigantesque nurserie d'étoiles située près du centre d'une galaxie naine pauvre en métaux située à 2.4 milliards d'années-lumière (z=0.19) dans la constellation du Cocher. Cette nurserie se trouve à 6200 années-lumière du centre de cette galaxie qui mesure 20000 années-lumière de diamètre. Cette source FRB serait probablement associée à des étoiles compactes, renforçant l'hypothèse qu'il s'agirait de jeunes étoiles neutrons. Ceci dit, certains astronomes ont évoqué en parallèle l'hypothèse d'une émission extraterrestre, mais qui n'a jamais été prouvée.

En 2017, le physicien Justin Vandenbroucke de l'Université du Wisconsin à Madison et ses collègues ont publié les résultats d'une étude dans l'"Astrophysical Journal" visant à vérifier si les sources FRB étaient des émetteurs de neutrinos. Entre mai 2011 et mai 212, ils ont recherché des émissions neutrinos dans les archives de l'Observatoire IceCube installé au pôle Sud. Sur les 138322 évènements concernant potentiellement des neutrinos muoniques, aucun ne correspondait à la localisation d'une source FRB. Les scientifiques peuvent donc déjà fixer la limite supérieure de la quantité de neutrinos qui serait émise pendant les sursauts FRB et les comparer aux prédictions des différents modèles.

Sur près de 30 FRB étudiés, seul FRB 21102 a présenté 17 sursauts depuis 2012. Autrement dit, les FRB qui ne sont donc pas d'intenses émetteurs de neutrinos.

Actuellement on ne peut pas en dire plus et donc le mystère demeure. C'est la raison pour laquelle, les scientifiques recherchent d'autres moyens pour compléter leurs connaissances des FRB.

Les chercheurs pensent que les sursauts FRB sont probablement bien plus fréquents que ce qu'on observe. Dans une étude publiée en 2017 dans les "Astrophysical Journal Letters", les astronomes Abraham (Avi) Loeb du CfA Harvard-Smithsonian et sa collègue Anastasia Fialkov ont analysé le profil spectral de FRB 121102 et extrapolé son activité afin de calculer le nombre de FRB observable par les futurs radiotélescopes entre 50 MHz et 3.5 GHz. Ils obtiennent un taux d'émission supérieure à 1 FRB par seconde sur la totalité du ciel en tenant compte des sources faibles dans l'univers lointain. Selon d'autres études, il existerait peut être 10000 évènements FRB émis chaque jour dans toutes les directions.

Selon Vandenbroucke, il est possible que les FRB obéissent à une physique exotique mais pour cela il faut les outils pour les étudier. Or, la résolution des instruments à 1.4 GHz (Parkes, Arecibo, ASKAP) est insuffisante pour identifier directement les sources individuelles ou leur fréquence de travail ne convient pas (par ex. 0.8 GHz pour le GBT et UTMOST). C'est la raison pour laquelle les chercheurs comptent beaucoup sur les nouvelles installations radioastronomiques interférométriques et en particulier sur le SKA (Square Kilometre Array) en mode basse fréquence (array SKA-LOW fonctionnant entre 50-350 MHz avec une sensibilité de 2 mJy) qui en théorie pourrait détecter plus d'un FRB par minute sur la totalité du ciel jusqu'à l'époque de la réonisation de l'Univers, soit 700 millions d'années seulement après le Big Bang, entre z ~ 6 et 12 (cf. les résultats de la Collaboration Planck sur les contraintes sur l'histoire de la réionisation, XLVII, 2016).

Si on parvient à ce résultat, les chercheurs auront plus de chances de comprendre la nature des FRB. En plus, s'ils atteignent cette époque primordiale, grâce aux FRB ils pourront étudier la structure et l'évolution de l'Univers à très grandes distances, y compris sa composition et l'effet des émissions FRB sur le rayonnement cosmologique et les premiers nuages d'hydrogène ionisé.

Enfin, pour en revenir aux étoiles compactes, dans leur évolution, les étoiles neutrons sont non seulement les filles dégénérées d’étoiles massives mais sont également associées aux pulsars.

Prochain chapitre

Les pulsars

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