Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/M. Ail/M. Zamani
Lorsque les astronomes ont repéré un puissant sursaut gamma (GRB) en octobre 2019, l’explication la plus probable était qu’il avait été produit par une étoile mourante massive dans une galaxie lointaine explosant en supernova. Mais les données d’observations ultérieures ont montré que le sursaut provenait de la collision d’étoiles (ou de leurs restes) dans une zone densément peuplée près du trou noir supermassif d’une ancienne galaxie, selon un nouvel article publié dans la revue Nature Astronomy. Un tel événement rare a été émis l’hypothèse, mais c’est la première preuve d’observation pour un.
Comme nous l’avons signalé précédemment, les sursauts gamma sont des explosions à très haute énergie dans des galaxies lointaines qui durent entre quelques millisecondes et plusieurs heures. Il existe deux classes de sursauts gamma. La plupart (70 %) sont de longues rafales qui durent plus de deux secondes, souvent avec une rémanence brillante. Celles-ci sont généralement liées à des galaxies à formation rapide d’étoiles. Les astronomes pensent que les longues rafales sont liées à la mort d’étoiles massives qui s’effondrent pour former une étoile à neutrons ou un trou noir (ou, alternativement, un magnétar nouvellement formé). Le bébé trou noir produirait des jets de particules hautement énergétiques se déplaçant près de la vitesse de la lumière, suffisamment puissantes pour percer les restes de l’étoile progénitrice, émettant des rayons X et des rayons gamma.
Ces sursauts gamma qui durent moins de deux secondes (environ 30 %) sont considérés comme de courts sursauts, émettant généralement à partir de régions avec très peu de formation d’étoiles. Les astronomes pensent que ces sursauts gamma résultent de fusions entre deux étoiles à neutrons ou d’une étoile à neutrons fusionnant avec un trou noir, comprenant une « kilonova ».
Le sursaut gamma détecté par l’observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA en 2019 est tombé dans la catégorie longue. Mais les astronomes étaient perplexes car ils n’ont trouvé aucune preuve d’une supernova correspondante. « Pour chaque centaine d’événements qui entrent dans le schéma de classification traditionnel des sursauts gamma, il y a au moins une boule bizarre qui nous jette en boucle », a déclaré le co-auteur Wen-fai Fong, astrophysicien à l’Université Northwestern. « Cependant, ce sont ces excentriques qui nous en disent le plus sur la diversité spectaculaire des explosions dont l’univers est capable. »
Intrigués, Fong et ses co-auteurs ont suivi la rémanence décroissante de la rafale à l’aide de l’Observatoire international Gemini, complétée par des données collectées par les télescopes optiques nordiques et le télescope spatial Hubble. La rémanence leur a permis de localiser l’emplacement du GRB dans une région à seulement 100 années-lumière du noyau d’une ancienne galaxie, c’est-à-dire très près du trou noir supermassif en son centre. Ils ont conclu que l’éclatement avait pour origine la collision de deux étoiles ou restes stellaires.
C’est important car il existe trois processus bien connus pour qu’une étoile meure, en fonction de sa masse. Des étoiles massives explosent en supernova, tandis qu’une étoile de la masse de notre propre Soleil se débarrassera de ses couches externes et finira par s’estomper pour devenir une naine blanche. Et les restes stellaires créés à partir de supernovae – étoiles à neutrons ou trous noirs – peuvent former des systèmes binaires et éventuellement entrer en collision.
Nous avons maintenant une quatrième alternative : les étoiles dans les zones densément peuplées des galaxies anciennes peuvent entrer en collision – un événement très rare dans les galaxies actives, qui ne sont pas aussi denses. Une ancienne galaxie pourrait avoir un million d’étoiles entassées dans une zone de quelques années-lumière de diamètre. Et dans ce cas, les effets gravitationnels d’être si près d’un trou noir supermassif auraient modifié les mouvements de ces étoiles afin qu’elles se déplacent dans des directions aléatoires. Une collision finirait par arriver.
En fait, les auteurs suggèrent que ces types de collisions pourraient même ne pas être si rares ; nous ne détectons tout simplement pas les GRB révélateurs et les rémanences à cause de toute la poussière et du gaz qui obscurcissent notre vision des centres des galaxies anciennes. Si les astronomes pouvaient détecter une signature d’onde gravitationnelle en conjonction avec un tel GRB à l’avenir, cela pourrait leur en dire plus sur ce type de mort stellaire.
« Ces nouveaux résultats montrent que les étoiles peuvent rencontrer leur disparition dans certaines des régions les plus denses de l’Univers où elles peuvent être amenées à entrer en collision », a déclaré le co-auteur Andrew Levan, astronome à l’Université Radboud aux Pays-Bas. « C’est passionnant pour comprendre comment les étoiles meurent et pour répondre à d’autres questions, telles que quelles sources inattendues pourraient créer des ondes gravitationnelles que nous pourrions détecter sur Terre. »
DOI : Nature Astronomy, 2023. 10.1038/s41550-023-01998-8 (À propos des DOI).