jeudi 6 septembre 2018

Vitesse supraluminique pour le jet ultra-relativiste issu de GW170817

Une association de trois réseaux de radiotélescopes parmi les plus performants du monde a permis de déterminer la vitesse du jet relativiste émanent du résidu de la fusion de deux étoiles à neutrons observée en 2017 et répertorié GW170817. La vitesse apparente atteint 4 fois la vitesse de la lumière, une illusion supraluminique due à la vitesse ultra-relativiste du jet qui se trouve légèrement désaxé par rapport à la ligne de visée.



Il aura fallu pas moins que la combinaison interférométrique du VLBA (Very Long Baseline Array), du Karl Jansky VLA  (Very Large Array) et du GBT (Green Bank Telescope) pour mettre en évidence la vitesse d'éjection du jet qui semble émis par le résidu compact de GW170817 situé à 130 millions d'années-lumière. 
Les astrophysiciens Kunal Mooley (Caltech, NRAO) et ses collègues voulaient déterminer si l'événement cataclysmique avait bien produit un jet de matière étroit à très grande vitesse. Car de tels jets de matière sont prédits théoriquement en accompagnement des bouffées de rayons gamma comme celle qui a été détectée en coïncidence avec l'événement gravitationnel lors de la fusion de deux étoiles à neutrons. 


Ce que les chercheurs observent, ce sont les régions d'émission radio au voisinage immédiat du résidu. Or, en observant à différentes périodes, 75 jours après la fusion puis 230 jours après, ils ont vu que la région d'émission radio avait bougé, et très fortement, apparemment 4 fois plus vite que la vitesse de la lumière. En 155 jours, la source radio semble avoir bougé de 2 années-lumière... Une telle vitesse supraluminique apparente ne peut être expliquée que par la présence d'un jet de matière très étroit et ultra-relativiste. Le mouvement supraluminique apparent est un effet relativiste qui a lieu lorsqu'une source de lumière a pour origine un "objet" qui se rapproche de l'observateur à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et avec un très petit angle par rapport à la ligne de visée. 


Mooley et ses collègues publient leur analyse dans le numéro de Nature paru aujourd'hui. Ils en déduisent que le jet de matière relativiste ne peut qu'être très étroit, élargi de moins de 5°, et sa direction ferait un angle inférieur à 20° par rapport à la ligne de visée. Quant à la vitesse proprement dite de ce jet de matière, pour que les observations soient cohérente avec l'analyse, celle-ci doit être au minimum de 97% de la vitesse de la lumière.
Le scénario qui émerge au vu des différentes observations qui ont été menées sur le résidu de GW170817 depuis un an, c'est que la fusion des deux étoiles à neutrons aurait créé une coquille sphérique de débris. Juste après, un trou noir se serait formé et son champ gravitationnel aurait commencé à attirer la matière se trouvant à proximité en formant un disque d'accrétion en rotation rapide qui aurait formé les jets polaires ultra-relativistes. Des observations avaient indiqué qu'un jet avait dû interagir avec la coquille de débris, formant une sorte de cocon de matière s'étendant vite mais beaucoup moins que le jet.
C'est une chance que le jet ait été orienté aussi proche de l'axe de visée, car si il avait été plus éloigné, non seulement le signal radio aurait trop faible pour être détecté, mais le signal gamma aussi aurait été indétectable. La détection d'un jet relativiste dans GW170817 renforce la connexion qui semble exister entre fusions d'étoiles à neutron et bouffées de rayons gamma courtes. 

Les observations très précises dans le domaine radio permettent ainsi d'envisager des études approfondies sur la physique des jets polaires de trous noirs ou d'autres astres compacts.


Source

Superluminal motion of a relativistic jet in the neutron-star merger GW170817
K. P. Mooley, A. T. Deller, O. Gottlieb, E. Nakar, G. Hallinan, S. Bourke, D. A. Frail, A. Horesh, A. Corsi & K. Hotokezaka 
Nature (5 september 2018)


Illustrations

1) Vue d'artiste du mouvement des émissions radio observées (D. Berry, O. Gottlieb, K. Mooley, G. Hallinan, NRAO/AUI/NSF)

2) Schéma expliquant les caractéristiques du jet relativiste mis en évidence (Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF)