jeudi 21 décembre 2017

La fusion d’étoiles à neutrons de GW170817 aurait créé un cocon de débris qui absorbe les jets du trou noir formé


L’observation astrophysique la plus marquante de l’année 2017, la fusion de deux étoiles à neutrons observées à 130 millions d’années-lumière en multi-longueurs d’ondes et multi-messagers (ondes gravitationnelles et photons) a permis de répondre à de nombreuses questions. Mais le suivi de l’émission radio du résidu de la collision depuis ce fameux 17 août 2017 indique une augmentation du signal au lieu d’une décroissance, une anomalie qui permet d’en savoir encore plus sur ce qui s’est passé et se passe encore.




Kunal Mooley (National Radioastronomy Observatory) et son équipe ont suivi l’évolution du signal radio émanant du résidu de GW170817 durant trois mois avec trois radiotélescopes, le Karl Jansky Very Large Array américain (VLA), le Australia Telescope  Compact Array australien (ATCA) et le Giant Meter-wave Radio Telescope indien (GMRT). 
Le modèle de la fusion de ces deux étoiles à neutron qui avait été construit à partir des très nombreuses observations effectuées depuis l’été dernier converge vers la présence d’un cocon de matière qui aurait été créé lors de l’explosion de la kilonova associée au phénomène de fusion des étoiles à neutron. Cette coquille sphérique de débris serait en cours d’expansion tandis qu’un trou noir se serait formé au centre. Le champ gravitationnel du trou noir aurait rapidement produit un disque d’accrétion de débris en rotation rapide dans la partie interne du cocon, et des jets de matière relativistes se seraient formés au niveau des pôles du trou noir.
Si l’un de ces deux jets avait pointé directement dans la direction de la Terre, il aurait été observé comme une bouffée de rayons gamma de courte durée (un GRB court). Mais ce ne fut pas le cas. Un autre indice indiquant que le jet serait vu de côté, avec un certain angle, est venu du fait que les émissions radio et X ont été observées avec un délai significatif par rapport au temps t0 de la collision. 
Le modèle du cocon de débris qui a été proposé en octobre permet d’expliquer comment les émissions radio, gamma et X peuvent être produites lors des interactions de jets avec le milieu, qui vont modeler les débris en un cocon autour du résidu compact tout en absorbant leur énergie (voir vidéo ci-dessous). Le scénario du cocon explique bien les courbes initiales de luminosité radio, X et gamma de GW170817. Mais il fallait pouvoir confirmer ce modèle et affiner le rôle des potentiels jets relativistes. Kunal Mooley et ses collaborateurs observent aujourd’hui une augmentation de la luminosité radio en provenance du résidu de GW170817.  L’analyse de la courbe de luminosité radio qu’ils ont effectuée ne leur permet pas de démontrer clairement la présence d’un jet désaxé par rapport à la ligne de visée. Ils ont testé pas moins de cinq configurations différentes, allant des cas les plus simples correspondant à un jet relativiste sortant du cocon vu dans son axe ou bien avec un angle, jusqu’à des cas où le jet primaire produit un flot de matière étalé, produisant secondairement des ondes radios accompagnées ou non de rayons gamma (une rémanence), le jet primaire parvenant ou non à sortir du cocon de débris selon les cas. 


La meilleure explication selon les chercheurs, en tout cas la plus probable au vu des données d’observations qu'ils ont acquises, est que nous sommes bien en présence d’un cocon de débris autour de l’objet compact, qu’il y aurait bien des jets relativistes au sein de ce cocon de matière, mais que ces derniers ne parviendraient pas à sortir du cocon. Kunal Mooley et ses collaborateurs déduisent qu’il existe un écoulement relativiste (mais quand-même assez lent) se dirigeant dans notre direction. D’après les chercheurs qui publient leurs travaux dans la revue Nature cette semaine, cet écoulement formerait un grand angle et pourrait soit être formé de matière riche en neutrons se déplaçant à grande vitesse depuis la fusion des deux étoiles à neutrons, soit être le cocon de matière en train de se fractionner par l’interaction d’un jet qui lui transfèrerait son énergie.

Le scénario du cocon de débris semble donc être le bon pour décrire ce qui s’est passé juste après  la fusion de deux étoiles à neutrons lors de l’événement du 17 août 2017 . Si la bouffée de rayons gamma y était atypique, ne ressemblant pas complètement à un GRB court, c’est donc probablement dû non seulement à notre direction d’observation désaxée, mais aussi à la présence de tous ces débris au voisinage de nouvel objet compact dont la nature serait signée par la présence de ces jets axiaux relativistes : un trou noir.


Source

A mildly relativistic wide-angle outflow in the neutron-star merger event GW170817
K. P. Mooley, E. Nakar, K. Hotokezaka, G. Hallinan, A. Corsi, D. A. Frail, A. Horesh, T. Murphy, E. Lenc, D. L. Kaplan, K. De, D. Dobie, P. Chandra, A. Deller, O. Gottlieb, M. M. Kasliwal, S. R. Kulkarni, S. T. Myers, S. Nissanke, T. Piran, C. Lynch, V. Bhalerao, S. Bourke, K. W. Bannister & L. P. Singer
Nature (20 december 2017)


Illustrations

1) Vue d'artiste de l'objet complexe produit par la fusion des deux étoiles à neutron  (NRAO/AUI/NSF: D. Berry)

2) Schéma de la solution la plus probable correspondant aux observations en ondes radio  dans laquelle les jets perdent toute leur énergie à l'intérieur du cocon de matière (adapté de Mooley et al., Nature)