Derby de démolition stellaire près d’un trou noir dans une ancienne galaxie

Qu\'avez vous pensé de cet article ?

Illustration artistique d'un sursaut gamma

Une équipe internationale d’astrophysiciens dirigée par l’université Radboud aux Pays-Bas a découvert un nouveau mécanisme qui détruit les étoiles et génère un sursaut gamma (GRB). (Illustration artistique d’un sursaut gamma.) Crédit : Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick/M. Zamani

Des astrophysiciens ont découvert un nouveau mécanisme de destruction des étoiles et de génération de sursauts gamma, provenant de collisions stellaires dans les environnements denses proches des trous noirs supermassifs dans les galaxies anciennes. Cette découverte, publiée dans Nature Astronomy, améliore notre compréhension de la mort des étoiles et pourrait indiquer des sources d’ondes gravitationnelles inconnues jusqu’à présent.

En recherchant les origines d’un puissant sursaut gamma (GRB), une équipe internationale d’astrophysiciens est peut-être tombée sur une nouvelle façon de détruire une étoile.

Bien que la plupart des GRB proviennent de l’explosion d’étoiles massives ou de fusions d’étoiles à neutrons, les chercheurs ont conclu que le GRB 191019A provenait plutôt de la collision d’étoiles ou de restes d’étoiles dans l’environnement encombré entourant un trou noir supermassif au cœur d’une ancienne galaxie. Cet environnement, qui s’apparente à un derby de démolition, laisse entrevoir un moyen longtemps hypothétique – mais jamais vu – de démolir une étoile et de générer un GRB.

L’étude a été publiée le 22 juin dans la revue Nature Astronomy. Dirigée par l’université Radboud aux Pays-Bas, l’équipe de recherche comprenait des astronomes de l’université Northwestern.

« Pour chaque centaine d’événements correspondant à la classification traditionnelle des sursauts gamma, il y a au moins un phénomène étrange qui nous surprend », a déclaré Wen-fai Fong, astrophysicien à l’université Northwestern et coauteur de l’étude. « Cependant, ce sont ces phénomènes étranges qui nous en apprennent le plus sur la diversité spectaculaire des explosions dont l’univers est capable.

« La découverte de ces phénomènes extraordinaires au sein de systèmes stellaires denses, en particulier ceux qui entourent les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies, est indéniablement passionnante », a déclaré Giacomo Fragione, astrophysicien à Northwestern et co-auteur de l’étude. « Cette découverte remarquable nous donne un aperçu alléchant de la dynamique complexe à l’œuvre dans ces environnements cosmiques, en établissant qu’ils sont les usines d’événements qui auraient autrement été considérés comme impossibles. »

Cette impression d’artiste montre comment les astronomes qui étudient un puissant sursaut gamma (GRB) avec le télescope Gemini South, exploité par le NOIRLab de la NSF, ont peut-être détecté un moyen inédit de détruire une étoile. Contrairement à la plupart des sursauts gamma, qui sont provoqués par l’explosion d’étoiles massives ou la fusion fortuite d’étoiles à neutrons, les astronomes ont conclu que ce sursaut gamma provenait plutôt de la collision d’étoiles ou de restes d’étoiles dans l’environnement encombré entourant un trou noir supermassif au cœur d’une ancienne galaxie.

Fong est professeur adjoint de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Fragione est professeur assistant de recherche au CIERA. Les autres coauteurs de Northwestern sont Anya Nugent et Jillian Rastinejad, toutes deux doctorantes en astronomie et membres du groupe de recherche de Fong.

La plupart des étoiles meurent, en fonction de leur masse, de l’une des trois manières prévisibles. Lorsque des étoiles de masse relativement faible, comme notre soleil, atteignent un âge avancé, elles se débarrassent de leurs couches externes et finissent par se transformer en naines blanches. Les étoiles plus massives, en revanche, brûlent plus intensément et explosent plus rapidement lors de supernovae cataclysmiques, créant des objets ultra-denses tels que des étoiles à neutrons et des trous noirs. Le troisième scénario se produit lorsque deux restes stellaires de ce type forment un système binaire et finissent par entrer en collision.

Mais la nouvelle étude révèle qu’il pourrait y avoir une quatrième option.

« Nos résultats montrent que les étoiles peuvent mourir dans certaines des régions les plus denses de l’univers, où elles peuvent être poussées à entrer en collision », explique l’auteur principal Andrew Levan, astronome à l’université Radboud. « C’est passionnant pour comprendre comment les étoiles meurent et pour répondre à d’autres questions, comme celle de savoir quelles sources inattendues pourraient créer des ondes gravitationnelles que nous pourrions détecter sur Terre. »

Les galaxies anciennes, qui ont depuis longtemps dépassé le stade de la formation d’étoiles, ne contiennent plus que peu d’étoiles massives, voire aucune. Leur cœur, en revanche, regorge d’étoiles et d’une ménagerie de vestiges stellaires ultra-denses, tels que des naines blanches, des étoiles à neutrons et des trous noirs. Les astronomes soupçonnent depuis longtemps que dans la ruche turbulente qui entoure un trou noir supermassif, ce n’est qu’une question de temps avant que deux objets stellaires n’entrent en collision pour produire un GRB. Mais les preuves de ce type de fusion sont restées insaisissables.

Le 19 octobre 2019, les astronomes ont aperçu les premiers indices d’un tel événement lorsque l’observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA a détecté un flash lumineux de rayons gamma qui a duré un peu plus d’une minute. Tout GRB qui dure plus de deux secondes est considéré comme « long ». De tels sursauts proviennent généralement de l’effondrement d’étoiles dont la masse est au moins 10 fois supérieure à celle de notre soleil.

Les chercheurs ont ensuite utilisé le télescope Gemini Sud au Chili, qui fait partie de l’Observatoire international Gemini exploité par le NOIRLab de la National Science Foundation, pour effectuer des observations à long terme de la rémanence du GRB.

Ces observations ont permis aux astronomes de localiser le GRB dans une région située à moins de 100 années-lumière du noyau d’une ancienne galaxie, tout près du trou noir supermassif de la galaxie. Curieusement, les chercheurs n’ont trouvé aucune trace d’une supernova correspondante, qui aurait laissé son empreinte sur la lumière captée par Gemini Sud.

« L’absence de supernova accompagnant le long GRB 191019A nous indique que ce sursaut n’est pas un effondrement typique d’une étoile massive », a déclaré Rastinejad, qui a effectué des calculs pour s’assurer qu’une supernova ne se cachait pas dans les données. « L’emplacement du GRB 191019A, dans le noyau de la galaxie hôte, illustre une théorie prédite mais pas encore prouvée sur la façon dont les sources d’émission d’ondes gravitationnelles peuvent se former.

Dans les environnements galactiques typiques, la production de longs GRBs à partir de restes stellaires en collision, tels que les étoiles à neutrons et les trous noirs, est incroyablement rare. Les noyaux des anciennes galaxies, cependant, sont tout sauf typiques, et il peut y avoir un million ou plus d’étoiles entassées dans une région de seulement quelques années-lumière de diamètre. Cette densité de population extrême peut être suffisamment importante pour que des collisions stellaires occasionnelles se produisent, en particulier sous l’influence gravitationnelle titanesque d’un trou noir supermassif, qui perturberait les mouvements des étoiles et les enverrait dans des directions aléatoires. Finalement, ces étoiles se croisent et fusionnent, déclenchant une explosion titanesque qui pourrait être observée à de grandes distances cosmiques.

« La découverte de cet événement au cœur d’une galaxie ancienne et silencieuse ouvre la voie à de nouvelles possibilités prometteuses pour la formation de systèmes binaires qui ont rarement été observés auparavant. »
– Anya Nugent, doctorante en astronomie

« Cet événement va à l’encontre de presque toutes les attentes que nous avons concernant les environnements des GRB courts et longs », a déclaré Anya Nugent, qui a réalisé une modélisation cruciale de la galaxie hôte. « Alors que les GRBs longs ne sont jamais trouvés dans des galaxies aussi vieilles et mortes que l’hôte du GRB 191019A, les GRBs courts, avec leurs origines de fusion, n’ont pas été observés comme étant aussi connectés aux noyaux de leurs hôtes. La découverte de cet événement au cœur d’une galaxie ancienne et silencieuse ouvre la voie à de nouvelles possibilités prometteuses pour la formation de systèmes binaires qui ont rarement été observés auparavant. »

Il est possible que de tels événements se produisent régulièrement dans des régions aussi peuplées de l’univers, mais qu’ils soient passés inaperçus jusqu’à présent. L’une des raisons possibles est que les centres galactiques regorgent de poussière et de gaz, ce qui pourrait masquer à la fois l’éclair initial du GRB et la rémanence qui en résulte. Le GRB 191019A pourrait être une rare exception, permettant aux astronomes de détecter le sursaut et d’en étudier les conséquences.

« Bien que cet événement soit le premier du genre à être découvert, il est possible qu’il y en ait d’autres qui soient cachés par les grandes quantités de poussière à proximité de leurs galaxies », a déclaré M. Fong. « En effet, si cet événement de longue durée provient de la fusion d’objets compacts, il contribue à la population croissante de GRB qui défie nos classifications traditionnelles.

En s’efforçant de découvrir d’autres événements de ce type, les chercheurs espèrent pouvoir associer une détection de GRB à une détection d’ondes gravitationnelles correspondante, ce qui permettrait d’en savoir plus sur leur véritable nature et de confirmer leur origine, même dans les environnements les plus obscurs. L’observatoire Vera C. Rubin, lorsqu’il sera opérationnel en 2025, sera d’une aide précieuse pour ce type de recherche.

Référence : « A long-duration gamma-ray burst of dynamical origin from the nucleus of an ancient galaxy » par Andrew J. Levan, Daniele B. Malesani, Benjamin P. Gompertz, Anya E. Nugent, Matt Nicholl, Samantha R. Oates, Daniel A. Perley, Jillian Rastinejad, Brian D. Metzger, Steve Schulze, Elizabeth R. Stanway, Anne Inkenhaag, Tayyaba Zafar, J. Feliciano Agüí Fernández, Ashley A. Chrimes, Kornpob Bhirombhakdi, Antonio de Ugarte Postigo, Wen-fai Fong, Andrew S. Fruchter, Giacomo Fragione, Johan P. U. Fynbo, Nicola Gaspari, Kasper E. Heintz, Jens Hjorth, Pall Jakobsson, Peter G. Jonker, Gavin P. Lamb, Ilya Mandel, Soheb Mandhai, Maria E. Ravasio, Jesper Sollerman et Nial R. Tanvir, 22 juin 2023, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-023-01998-8