Une éruption géante de magnétar détectée dans la galaxie proche M82

Une puissante éruption gamma a été détectée dans la la galaxie proche M82, elle proviendrait d'un magnétar, ce que laisse penser l'absence totale de rayons X rémanents et d'ondes gravitationnelles. L'étude est publiée dans Nature.

Identification de la supernova associée au sursaut gamma hors normes GRB 221009A

À l'aide du télescope spatial Webb, une équipe d'astrophysiciens a détecté les traces d'une supernova pour la première fois dans la lumière résiduelle du sursaut gamma le plus brillant jamais observé, GRB 221009A. Ils observent également de manière étonnante l'absence de certains éléments lourds liés au processus de nucléosynthèse de type r. L'étude est parue dans Nature Astronomy.

7 neutrinos de type tau détectés par IceCube

Au cours de ses dix années d'existence, l'Observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique a enregistré les signaux de près d'un million de neutrinos énergétiques, principalement des neutrinos de la saveur électronique et muonique, fournissant ainsi des informations précieuses sur les sources de particules de haute énergie dans l'Univers. L'année dernière, la collaboration IceCube a rapporté le premier signal candidat directement liés à un neutrino de la saveur tau. Et aujourd'hui, ce ne sont pas deux, ce ne sont pas trois, mais ce sont six nouveaux neutrinos tau qui ont été détectés par IceCube. Les physiciens de la grande collaboration internationale publient leur étude dans Physical Review Letters. 

A la recherche de planètes violettes

La couleur verte est la couleur que nous associons le plus à la vie sur Terre, où les conditions ont favorisé l'évolution des organismes qui effectuent la photosynthèse produisant de l'oxygène à l'aide du pigment vert de la chlorophylle. Mais une planète pleine de vie, semblable à la Terre en orbite autour d’une autre étoile pourrait avoir un aspect très différent, potentiellement recouverte par des bactéries qui reçoivent peu ou pas de lumière visible ni d’oxygène (comme dans certains environnements sur Terre), ces bactérie qui utilisent à la place un rayonnement infrarouge pour alimenter la photosynthèse seraient munies de pigments violet. Une étude récente parue dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society se penche sur la détectabilité de cette couleur planétaire. 

Doubles éruptions de type TDE possibles dans les amas d'étoiles autour des trous noirs supermassifs

Les amas d'étoiles nucléaires sont constitués d'une concentration dense d'étoiles et d'objets compacts qu'elles laissent derrière eux qui sont omniprésents dans les régions centrales des galaxies entourant leur trou noir supermassif central. Des interactions étroites entre les étoiles et les trous noirs de masse stellaire y conduisent à des fréquents événements de destructions d'étoiles par effets de marée (TDE). Une équipe d'astrophysiciens vient de découvrir un effet intéressant : la matière ainsi déchirée de l'étoile qui se retrouve libérée de l'emprise du petit trou noir stellaire peut se retrouver accrétée par le trou noir supermassif proche, donnant lieu à une seconde éruption. Ils publient leur étude dans The Astrophysical Journal Letters.

Le trou noir de Leo I ne serait finalement pas supermassif

 

En décembre 2021, je vous relatais la découverte d'un trou noir supermassif de plus de 3 millions de masses solaire au centre d'une galaxie naine qui s'appelle Leo I. Mais aujourd'hui, une nouvelle analyse de cette petite galaxie a été effectuée par une équipe d'astrophysiciens et ils n'arrivent pas à la même conclusion. Il y aurait bien un trou noir massif, mais pas supermassif. L'étude est publiée dans Astronomy&Astrophysics.

Leo I est la galaxie satellite de la Voie Lactée qui en est l'une des plus éloignées et des plus brillantes, située à 257 kpc de la Voie Lactée. Leo I intrigue les astronomes depuis longtemps déjà car elle semble posséder peu de matière noire. L'étude des galaxies naines sphéroïdales comme Leo I offre une occasion unique de caractériser en détail la structure des sous-halo de matière noire. Comparées à d'autres galaxies, les naines sphéroïdales sont relativement simples à mesurer et à simuler, ce qui permet de faire des inférences fiables sur leurs paramètres, et donc de mieux contraindre les propriétés de la matière noire.

Car les galaxies naines satellites de la Voie Lactée sont suffisamment proches pour fournir des traceurs dynamiques individuels (c'est-à-dire des étoiles résolues individuellement), et par rapport aux autres galaxies, elles sont réputées pour avoir une influence relativement insignifiante des baryons, ce qui permet une estimation plus robuste de leurs propriétés dynamiques et de leurs profils de matière noire.

En 2021, María José Bustamante-Rosell et ses collaborateurs avaient voulu tester sur Leo I différents scénarios concernant la matière noire et les trous noirs dans les galaxies naines sphéroïdales.  Ils avaient utilisé les mêmes modèles dynamiques rigoureux appliqués aux galaxies plus grandes. Il faut dire que le théoricien Amaro-Seoane avait suggéré en 2014 que les galaxies naines pouvaient abriter un trou noir beaucoup plus massif que ce que l'on pensait jusqu'alors, s'approchant de 1 million de masses solaires, qui pourrait apparaître via des collisions multiples au sein d'amas stellaires compacts.

Des études de la métallicité, de mouvement propre et des mesures de vitesse radiale ont accumulé une quantité importante de données sur la galaxie Leo I. Mais pourtant, ces données n'ont jamais permis de converger vers une image unique des caractéristiques de son halo de matière noire.

Bustamante-Rosell et al. avaient mesuré le profil lumineux stellaire et  exploré la cinématique des étoiles. En jouant sur les paramètres du modèle de la galaxie pour faire coller les observations avec les simulations, ils étaient parvenus à la conclusion de la présence d'un trou noir au centre de la galaxie naine, devant avoir une masse probable de 3,3 millions de masses solaires ! 

Evidemment, le fait qu'un trou noir aussi massif puisse être présent au sein de cette petite galaxie, qui représenterait presque la moitié de sa masse stellaire (5,5 millions de masses solaires) a posé de sérieuses questions dans la communauté astrophysique. C'est pour éclaircir cette étonnante découverte que Raffaele Pascale (INAF, Bologne) et ses collaborateurs ont repris les mêmes données de spectroscopie de champ intégrale qu'avaient utilisées Bustamante-Rosell et al., mais en les réanalysant avec d'autres méthodes. Ils ont utilisé des modèles d'équilibre basés sur des fonctions de distribution et avec une exploration approfondie d'un très grand espace de paramètres. Les chercheurs exploitent une analyse bayésienne en comparant modèle et données.

Sur l'a priori exploré, la distribution a posteriori est presque uniforme vers les faibles masses et augmente légèrement autour de M≃ 10^5,5 M_⊙, alors qu'il présente une forte troncature autour de ∼10⁶  M_⊙. Selon Pascale et ses collaborateurs, cela suggère fortement qu’il n’existe pas suffisamment de preuves statistiques pour affirmer la détection d’un trou noir supermassif. L'inférence établit une limite supérieure pour la masse qui vaut 676 000 M_⊙ à 3σ, avec une valeur médiane de 7760 masses solaires. Il s'agirait donc d'un trou noir de masse intermédiaire, et non d'un trou noir supermassif (qui ont une masse supérieure à 1 million de masses solaires)

Les chercheurs indiquent que la masse déduite du trou noir se traduit par une limite supérieure de son rayon d'influence R_infl  ≡  GM/σ_los (où σ_los est la dispersion de la vitesse) qui est comparable à la moyenne de la distance des secteurs cinématiques les plus internes de la galaxie  (≃19 pc). Par conséquent, la cinématique des régions internes exclut effectivement l’existence d’un trou noir supermassif, plutôt que de soutenir sa présence.

Mais le trou noir serait tout de même assez gros dans sa catégorie. Sur la base de relations d'échelle, pour une galaxie similaire à Léo I, avec une dispersion de vitesse comprise entre 10 et 12 km s^-1 , on devrait s'attendre à un trou noir intermédiaire d'au plus de 10 000 M_⊙ , ou de manière équivalente à un rapport de masse μ  ≡  M_TN / M_⋆  compris entre 10^-4  et 10^-3. Les limites supérieures sur la masse du trou noir et sur μ que Pascale et ses collaborateurs trouvent sont en bon accord avec ces valeurs. En termes de μ, ils  mesurent une médiane qui vaut 0,0013. Ces valeurs représentent les limites inférieures qui peuvent être imposées par l'ensemble de données cinématiques.

Pour les auteurs de cette étude, il est très difficile d’identifier de manière concluante la raison de l’écart entre leur résultats et ceux de Bustamante-Rosell et al. de 2021. Contrairement au cas de NGC 6388, où deux ensembles de données donnent des résultats différents, Pascale et son équipe ont ici utilisé le même ensemble de données que Bustamante-Rosell et al, mais avec des algorithmes et des modèles d'ajustement différents. Ainsi, l’utilisation de la spectroscopie de champ intégral ne peut pas être à l’origine de ces différences.

Il faut dire que l’utilisation de la spectroscopie intégrale de champ pour rechercher des trous noirs intermédiaires dans des systèmes stellaires denses a été largement débattue dans le passé. Dans les amas globulaires, on pense, par exemple, que la méthodologie peut introduire des biais, dans la mesure où les spectres qui sont collectés peuvent être dominés par quelques étoiles brillantes plutôt que d'échantillonner toute la distribution stellaire sous-jacente. NGC 6388 est emblématique à cet égard : les spectres des étoiles individuelles indiquent une dispersion de vitesse centrale d'environ 10 km s^-1, tandis que les valeurs de la spectroscopie de champ intégral indiquent une dispersion aussi élevée que 25 km s^-1 (Lützgendorf et al. 2011 ), qui peut être interprétée comme une signature de trou noir massif.

Pascale et ses collaborateurs estiment que les différences dans les résultats proviennent d’une interaction de facteurs. Une solution potentielle à ce problème pourrait consister à utiliser des vitesses d'étoiles individuelles qui échantillonnent la région donnée par le rayon d'influence du trou noir. Mais la distance de Leo I pose un défi de taille aux astrophysiciens. Ils estiment qu'un échantillon d'au moins 100 vitesses radiales avec une erreur inférieure à 0,2 σlos serait nécessaire pour récupérer toute la distribution de vitesses. Dans le cas de Leo I, cela impliquerait de travailler avec plus de 100 étoiles ayant une erreur de vitesse radiale inférieure à 2 km s^-1, des étoiles confinées dans une région inférieure à 15 secondes d'arc.

Le trou noir putatif de Leo I serait donc tout au plus un trou noir de masse intermédiaire un peu gros, mais non supermassif. Cette valeur maximale de 676 000 masses solaires est également beaucoup plus conforme aux scénarios de formation des galaxies naines, mais l'écart d'un facteur 5 qui est obtenu par rapport à l'étude parue il y a trois ans reste encore à expliquer.

Source

The central black hole in the dwarf spheroidal galaxy Leo I: Not supermassive, at most an intermediate-mass candidate

R. Pascale et al.

Astronomy&Astrophysics Volume 684, 17 April 2024

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202449620

Illustrations

1. La galaxie naine Leo I (Sloan Digital Sky Survey)

2. Plage de masse obtenue par l'inférence bayésienne pour le trou noir de Leo I (Pascale et al.)

3. Raffaele Pascale

La durée de vie de l'électron mesurée pour tester la mécanique quantique : 28,3 millions de milliards de milliards d'années

Il est toujours important de remettre en cause ce que l’on pense fermement établi. Cela pourrait nous mener vers une physique qui sort du modèle standard. Grâce à leur détecteur de particules ultra performant, la collaboration MAJORANA vient de tester le principe d’exclusion de Pauli et la conservation de la charge électrique, deux pieds de voûte de la mécanique quantique. Ils publient leurs résultats dans Nature Physics.

Détection d'un trou noir stellaire de 33 masses solaires par astrométrie avec Gaia

La mission Gaia vient de débusquer son troisième trou noir vraiment noir, détecté uniquement en observant le mouvement orbital d'une étoile autour de... rien. Et ce n'est pas un petit trou noir stellaire comme on a l'habitude d'en rencontrer dans notre galaxie, celui-là, Gaia BH3, est trois fois plus massif que les trous noirs moyens, avec presque 33 masses solaires. De quoi questionner sérieusement son origine. L'étude est publiée dans Astronomy and Astrophysics.

Le télescope Gaia nous a déjà permis d’observer la position et le mouvement de milliards d'étoiles de notre galaxie, ainsi que dévoiler les sous-structures de la Voie Lactée. Mais il permet aussi de détecter des trous noirs stellaires qui n'accrètent pas de matière et sont donc complètement invisibles. Mais ils peuvent être décelé si ils sont en couple avec une autre étoile, en mesurant avec précision comment bouge cette étoile. A partir des paramètres orbitaux de l'étoile et de ses caractéristiques, il est alors possible de remonter à la masse du trou noir autour duquel elle tourne. 

Gaia avait déjà trouvé ainsi deux trous noirs stellaires dits "dormants", car n'accrétant pas de matière : Gaia BH1 et BH2, en 2022 et en 2023. Cette fois, la découverte a été obtenue en utilisant les données astrométriques préliminaires du quatrième jeu de données de Gaia, le DR4. Ce troisième spécimen se situe à 590 parsecs (1923 années-lumière). L'étoile qui a permis sa découverte indirecte est une très vielle étoile, très pauvre en métaux qui a une masse de 0,76 ± 0,05 M⊙. 

BH3 est aujourd'hui le trou noir stellaire le plus massif jamais découvert dans la Voie lactée. Les seuls trous noirs stellaires de plus de 30 masses solaires qui ont été identifiés l'ont été via des fusions générant des ondes gravitationnelles et ce dans des galaxies très lointaines. Jusqu'à aujourd'hui le trou noir stellaire le plus massif de la galaxie était aussi celui qui avait été identifié le premier dans les années 1970 : Cygnus X-1, qui arbore une belle masse de 20 masses solaires, comme l'ont mesuré Miller-Jones et al. en 2021.  

L'étoile et le trou noir ont une période orbitale d'un peu plus de onze ans. L'orbite excentrique de l'étoile la fait passer, au plus près, à environ 4,5 unités astronomiques du trou noir, environ la distance entre Jupiter et le Soleil. Et au plus loin, elle s'éloigne à 29 unités astronomiques, ce qui équivaut à l'orbite de Neptune. Mais ces passages rapprochés sont insuffisant pour un transfert de masse qui pourrait produire un disque d'accrétion qui en s'échauffant rayonnerait des rayons X.

Pour expliquer la masse exceptionnelle de BH3, les chercheurs évoquent le fait que son étoile progénitrice pourrait être une étoile de population II, très très pauvre en métaux et qui aurait donc pu être très massive, la condition sine qua non pour produire un trou noir de a 32,70 ± 0,82 M⊙ masses solaires. Cette idée est renforcée par le fait que l'étoile compagne est une étoile elle-même très pauvre en métaux, probablement semblable à celle qui a donné naissance au trou noir. En effet, le manque de métaux diminue considérablement la perte de masse pendant la vie stellaire (comme l'avait montré Vink en 2008) et réduit le rayon des progénitrices en évolution (Hurley et al. 2000 ; Belczynski et al. 2010), ce qui a pour effet de diminuer la probabilité de fusionner pendant la phase d'enveloppe commune dans les systèmes binaires. Et puis, il a également été montré que la masse plus élevée des trous noirs ainsi produits devrait diminuer substantiellement ou éliminer la force de l'impulsion à la naissance du trou noir, ce qui permet de préserver la binaire comme un système lié. 

 

Mais on ne peut pas exclure totalement l’hypothèse que Gaia BH3 soit en fait le résultat d'une fusion entre deux trous noirs plus petits. Les observatoires gravitationnels Ligo-Virgo-Karga ont en effet permis de détecter plusieurs événements de ce genre depuis 2015, impliquant des fusions de trous noirs bien plus massifs dans des galaxies lointaines. Les astrophysiciens précisent que cette probabilité toutefois assez faible pour BH3. Plusieurs indices indiquent que ce serait bien un trou noir formé par l'effondrement d'une seule étoile massive.  Le principal est la présence de l'étoile compagne très pauvre en éléments lourds. Ces étoiles, d’une génération antérieure à celle du Soleil, ne représentent qu'environ 1 % des étoiles de la Voie lactée.

Et il y a aussi d'autres hypothèses qui ne peuvent pas encore être complètement exclues. La masse estimée d'environ 33 masses solaires est trop importante pour une étoile à neutrons ou deux étoiles à neutrons en orbite proche mais, selon les chercheurs, il pourrait encore s'agir d'une binaire interne contenant deux trous noirs et non un unique trou noir, ou bien un trou noir quasi aussi gros et accompagné d'une étoile à neutrons (qui ferait de toute façon 2 masses solaires au maximum). 

Point intéressant, le couple BH3 se meut en contresens dans le disque galactique. Le couple appartient à une structure nommée ED-2, qui a récemment été découverte par Gaia, et qui semble issu des restes d'un amas globulaire capturé puis déchiré par notre galaxie il y a plusieurs milliards d'années.

Dans leur conclusion, les chercheurs de la collaboration Gaia rappellent que les deux premiers trous noirs dormants découverts par Gaia sur des orbites astrométriques larges ont des masses d'environ 10 M⊙. La masse de Gaia BH3 le place dans la gamme de masse des trous noirs découverts par les ondes gravitationnelles et, en fait, elle est proche du pic de la distribution de masse observée pour les trous noirs en fusion. La métallicité du système soutient le scénario selon lequel les trous noirs de masse élevée observés par LIGO/Virgo/KAGRA sont les restes d'étoiles pauvres en métaux. Le système découvert, avec son rapport de masse extrêmement faible (32,7 masses solaires pour le trou noir et moins de 1 masse solaire pour l'étoile), son orbite large et sa composition chimique spécifique, peut également fournir des contraintes pour l'évolution stellaire et les modèles binaires.

Comme dans le cas des systèmes Gaia BH1 et BH2, le scénario de formation d'une binaire isolée semble peu probable et d'autres scénarios doivent être envisagés. Les trous noirs découverts par Gaia dans des binaires larges dans notre galaxie et celles détectées par LIGO/Virgo/KAGRA dans des galaxies externes (c'est-à-dire des événements de fusion de trous noirs dans des binaires à très courte période) constituent les deux extrémités de la population de trous noirs. Lorsqu'ils sont étudiés ensemble, ils peuvent aider à formuler une vision globale de la formation des trous noirs et de l'évolution de leurs étoiles progénitrices. Enfin, la distance relativement faible de BH3 en font une cible facile pour des observations ultérieures et des analyses détaillées par la communauté astronomique. Cette découverte issue du catalogue Gaia DR4 indique qu'il promet de révéler sans aucun doute de nombreux autres systèmes binaires hébergeant un trou noir stellaire massif ou pas. 

Source

Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry

Gaia Collaboration

Astronomy&Astrophysics (11 april 2024)

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202449763

Illustrations 

1. Positions des trois trous noirs stellaires identifiés avec Gaia (ESA)

2. Orbite et vitesse radiale de l'étoile compagne de BH3 (Gaia Collaboration)

3. Vue d'artiste d'un trou noir dormant dans une binaire (ESO/L. Calçada)

Des fusions stellaires à l'origine du champ magnétique des étoiles massives

La plupart des champs magnétiques stellaires, y compris celui du Soleil, sont produits par une dynamo générée dans des couches intérieures soumises à une convection. Les étoiles massives (huit masses solaires ou plus) n’ont pas d’intérieur convectif, on ne sait donc pas pourquoi environ 7 % d’entre elles ont tout de même un champ magnétique. Une équipe d'astrophysiciens à découvert que dans un système binaire d'étoiles massives, l'une des deux est magnétique mais pas l'autre, et elles semblent n'avoir pas le même âge non plus, ce qui les mène sur une bonne piste d'explication... L'étude est publiée dans Science. 

Trop de galaxies naines autour de la galaxie M83, le modèle standard en défaut

On connaissait le problème des "galaxies satellites manquantes", qui était apparu quand les simulations fondées sur le modèle standard  ΛCDM donnaient trop de galaxies naines par rapport à ce qui est observé. Ce problème avait été résolu en intégrant la physique baryonique dans les simulations, mais aujourd'hui, c'est l'inverse : on observe beaucoup trop de galaxies naines dans le groupe de la grande galaxie M83. L'étude est publiée dans Astronomy&Astrophysics.

  

Détection d'un neutrino coïncident avec l'éruption gamma d'un blazar très lointain

Une équipe d'astrophysiciens chinois a réussi à mettre en évidence un lien entre la détection par Fermi-LAT d'une émission gamma signant le réveil du blazar NVSS J1718+4239 après une longue période de calme et la détection d'un neutrino énergétique par IceCube. Ils publient leur étude dans The Astrophysical Journal Letters.

L'origine de la pollution des naines blanches

L'accrétion de matière issue de planètes détruites par les effets de marées est le modèle consensuel actuel pour expliquer la présence de métaux dans la photosphère des naines blanches. Mais ce processus serait-il favorisé par la présence d'une étoile compagne ? C'est à cette question qu'une équipe de chercheurs s'est intéressée, et à trouvé une réponse claire. Ils publient leur étude dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

L'astéroïde Apophis pourrait être perturbé avant son passage proche de 2029

L'astéroïde 99942 Apophis passera près de la Terre le 13 avril 2029. On s'attend à ce qu'il rate notre planète de peu (environ 30000 km), mais ça pourrait changer si la trajectoire d'Apophis était perturbée par une interaction avec un autre astéroïde entre-temps. Un duo d'astrophysiciens s'est intéressé à ce cas et a identifié une rencontre rapprochée entre Apophis et un autre gros astéroïde en décembre 2026... Ils publient leur étude dans The Planetary Science Journal.