En 2017, LIGO (Laser-Interferometer Gravitational Wave Observatory) et Virgo ont détecté des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons. Ils ont nommé ce signal GW170817. Deux secondes après l'avoir détecté, le satellite Fermi de la NASA a détecté un sursaut gamma (GRB) nommé GRB170817A. En quelques minutes, des télescopes et des observatoires du monde entier se sont adaptés à l'événement.
Le télescope spatial Hubble a joué un rôle dans cette détection historique de la fusion de deux étoiles à neutrons. À partir de décembre 2017, Hubble a détecté la lumière visible de cette fusion et, au cours de la prochaine année et demie, il a tourné son puissant miroir au même endroit plus de 10 fois. Le résultat?
L'image la plus profonde de la rémanence de cet événement, et un tas de détails scientifiques.
"Il s'agit de l'exposition la plus profonde que nous ayons jamais vue de cet événement à la lumière visible", a déclaré Wen-fai Fong de Northwestern, qui a dirigé la recherche. "Plus l'image est profonde, plus nous pouvons obtenir d'informations."
En plus de fournir une image profonde de la rémanence de la fusion, Hubble a également révélé certains secrets inattendus de la fusion elle-même, le jet qu'elle a créé, ainsi que quelques détails sur la nature des courtes rafales de rayons gamma.
Pour de nombreux scientifiques, le GW170817 est la découverte la plus importante de LIGO à ce jour. La découverte a remporté le prix Breakthrough of the Year en 2017 de la revue Science. Bien que les collisions ou les fusions entre deux étoiles à neutrons aient été très discutées, c'était la première fois que les astrophysiciens pouvaient en observer une. Parce qu'ils l'ont également observé à la fois dans la lumière électromagnétique et dans les ondes gravitationnelles, c'était aussi la première «observation multi-messager entre ces deux formes de rayonnement», comme il est dit dans un communiqué de presse.
C’est en partie les circonstances qui ont rendu cela possible. GW170817 est assez proche de la Terre en termes astronomiques: à seulement 140 millions d'années-lumière dans la galaxie elliptique NGC 4993. Elle était lumineuse et facile à trouver.
La collision des deux étoiles à neutrons a provoqué une kilonova. Ils sont causés lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent comme ça, ou lorsqu'une étoile à neutrons et un trou noir fusionnent. Un kilonova est environ 1000 fois plus brillant qu'une nova classique, qui se produit dans un système d'étoiles binaires lorsqu'une naine blanche et son compagnon fusionnent. L'extrême luminosité d'un kilonova est causée par les éléments lourds qui se forment après la fusion, y compris l'or.
La fusion a créé un jet de matériau se déplaçant à une vitesse proche de la lumière, ce qui a rendu la rémanence difficile à voir. Bien que le jet claquant dans le matériau surround soit ce qui a rendu la fusion si brillante et facile à voir, elle a également obscurci la rémanence de l'événement. Pour voir la rémanence, les astrophysiciens devaient être patients.
"Pour que nous puissions voir la rémanence, le kilonova a dû se déplacer", a déclaré Fong. «Assez sûrement, environ 100 jours après la fusion, le kilonova était tombé dans l'oubli, et la rémanence a pris le relais. La rémanence était si faible, cependant, laissant aux télescopes les plus sensibles le capturer. »
C’est là que le télescope spatial Hubble est entré en jeu. En décembre 2017, Hubble a vu la lumière visible de la rémanence de la fusion. Depuis lors et jusqu'en mars 2019, Hubble a revu la rémanence 10 fois de plus. L'image finale était la plus profonde à ce jour, avec la portée de l'espace vénérable fixant l'endroit où la fusion a eu lieu pendant 7,5 heures. A partir de cette image, les astrophysiciens savaient que la lumière visible avait finalement disparu, 584 jours après la fusion des deux étoiles à neutrons.
La rémanence de l'événement était la clé, et elle était faible. Afin de le voir et de l'étudier, l'équipe derrière l'étude a dû retirer la lumière de la galaxie environnante, NGC 4993. La lumière galactique est compliquée, et d'une certaine manière elle «infecterait» la rémanence et nuirait aux résultats .
"Pour mesurer avec précision la lumière de la rémanence, vous devez retirer toute autre lumière", a déclaré Peter Blanchard, boursier postdoctoral au CIERA et deuxième auteur de l'étude. «Le plus grand coupable est la contamination lumineuse de la galaxie, dont la structure est extrêmement compliquée.»
Mais ils avaient maintenant 10 images Hubble de la rémanence avec lesquelles travailler. Sur ces images, la kilonova avait disparu et seule la rémanence restait. Dans l'image finale, la rémanence avait également disparu. Ils ont superposé l'image finale sur les 10 autres images de la rémanence, et en utilisant un algorithme, ils ont méticuleusement retiré toute la lumière des images Hubble antérieures montrant la rémanence. Pixel par pixel.
À la fin, ils ont eu une série d'images au fil du temps, montrant juste la rémanence sans aucune contamination de la galaxie. L'image correspond aux prédictions modélisées, et c'est également la série temporelle d'images la plus précise de la rémanence de l'événement.
"L'évolution de la luminosité correspond parfaitement à nos modèles théoriques de jets", a déclaré Fong. "Cela correspond aussi parfaitement à ce que la radio et les rayons X nous disent."
Alors qu'ont-ils trouvé dans ces images?
Tout d'abord, la zone où les étoiles à neutrons ont fusionné n'était pas densément peuplée d'amas, ce qui, selon les études précédentes, devrait être le cas.
"Des études antérieures ont suggéré que les paires d'étoiles à neutrons peuvent se former et fusionner dans l'environnement dense d'un amas globulaire", a déclaré Fong. "Nos observations montrent que ce n'est certainement pas le cas pour cette fusion d'étoiles à neutrons."
Fong pense également que ce travail a mis en lumière les sursauts gamma. Elle pense que ces explosions lointaines sont en fait des fusions d'étoiles à neutrons comme GW170817. Ils produisent tous des jets relativistes, selon Fong, c'est juste qu'ils sont vus sous différents angles.
Les astrophysiciens voient généralement ces jets à partir de sursauts de rayons gamma sous un angle différent de GW170817, généralement de face. Mais GW170817 a été vu sous un angle de 30 degrés. Cela n'avait jamais été vu auparavant en lumière optique.
"GW170817 est la première fois que nous pouvons voir le jet" hors axe "", a déclaré Fong. "La nouvelle série chronologique indique que la principale différence entre le GW170817 et les courtes rafales de rayons gamma éloignées est l'angle de vision."
Un article décrivant ces résultats sera publié dans le Astrophysical Journal Letters ce mois-ci. Il s'intitule «La rémanence optique du GW170817: un jet structuré hors axe et des contraintes profondes sur l'origine d'un amas globulaire». Il est visible sur le lien ci-dessus sur arxiv.org.
Plus:
- Document de recherche: La rémanence optique de GW170817: un jet structuré hors axe et des contraintes profondes sur l'origine d'un amas globulaire
- Communiqué de presse: Afterglow met en lumière la nature et l'origine des collisions d'étoiles à neutrons
- LIGO / Virgo: L'AUBE DE L'ASTROPHYSIQUE MULTIMESSAGER: OBSERVATIONS D'UNE FUSION BINAIRE DE NEUTRON STAR
