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L’astrophysique en crise ? Un objet mystérieux découvert qui pourrait tout changer

SciTechDaily

Les chercheurs ont identifié un système cosmique énigmatique qui pourrait contenir un objet comblant le fossé entre les étoiles à neutrons et les trous noirs, remettant en question les classifications astrophysiques existantes et approfondissant notre compréhension des extrêmes cosmiques. Crédit : Issues.fr.com

Les astronomes découvrent un objet céleste qui défie toute classification, révélant peut-être un nouveau type d’entité cosmique à la limite de la physique connue.

Parfois, les astronomes découvrent des objets dans le ciel que nous ne pouvons pas facilement expliquer. Dans notre nouvelle recherche, publiée dans Sciencenous rapportons une telle découverte, susceptible de susciter des discussions et des spéculations.

Les étoiles à neutrons font partie des objets les plus denses de l’univers. Aussi compacts qu’un noyau atomique, mais aussi grands qu’une ville, ils repoussent les limites de notre compréhension de la matière extrême. Plus une étoile à neutrons est lourde, plus elle risque de s’effondrer pour devenir quelque chose d’encore plus dense : un trou noir.

Objet mystérieux dans la Voie Lactée

Vue d’artiste du système en supposant que l’étoile compagnon massive est un trou noir. L’étoile de fond la plus brillante est son compagnon orbital, le radio pulsar PSR J0514-4002E. Les deux étoiles sont séparées de 8 millions de km et font le tour tous les 7 jours. Crédit : Daniëlle Futselaar (artsource.nl)

La limite de la compréhension : les étoiles à neutrons et les trous noirs

Ces objets astrophysiques sont si denses et leur attraction gravitationnelle si forte que leurs noyaux – quels qu’ils soient – ​​sont en permanence cachés de l’univers par des horizons d’événements : des surfaces d’une obscurité parfaite d’où la lumière ne peut s’échapper.

Si nous voulons un jour comprendre la physique au point de bascule entre les étoiles à neutrons et les trous noirs, nous devons trouver des objets à cette frontière. Il faut notamment trouver des objets pour lesquels on peut effectuer des mesures précises sur de longues périodes de temps. Et c’est précisément ce que nous avons trouvé – un objet qui n’est ni évidemment un étoile à neutrons ni un trou noir.

Caldwell 73 NGC 1851 Hubble

Image du télescope spatial Hubble de l’amas globulaire NGC 1851. Crédits : NASA, ESA et G. Piotto (Università degli Studi di Padova) ; Traitement : Gladys Kober (NASA/Université catholique d’Amérique)

Une danse cosmique dans NGC 1851

C’est en regardant au plus profond de l’amas d’étoiles NGC 1851 que nous avons repéré ce qui semble être une paire d’étoiles offrant une nouvelle vision des extrêmes de la matière dans l’univers. Le système est composé d’une milliseconde pulsarun type d’étoile à neutrons à rotation rapide qui balaie des faisceaux de lumière radio à travers le cosmos pendant sa rotation, et un objet massif et caché de nature inconnue.

L’objet massif est sombre, ce qui signifie qu’il est invisible à toutes les fréquences de lumière – de la radio aux bandes optiques, aux rayons X et aux rayons gamma. Dans d’autres circonstances, cela rendrait impossible toute étude, mais c’est ici que le pulsar milliseconde nous vient en aide.

Les pulsars millisecondes s’apparentent à des horloges atomiques cosmiques. Leurs spins sont incroyablement stables et peuvent être mesurés avec précision en détectant l’impulsion radio régulière qu’ils créent. Bien qu’intrinsèquement stable, le spin observé change lorsque le pulsar est en mouvement ou lorsque son signal est affecté par un fort champ gravitationnel. En observant ces changements, nous pouvons mesurer les propriétés des corps en orbite avec des pulsars.

Radiotélescope MeerKAT

L’équipe a utilisé le radiotélescope sensible MeerKAT, situé dans le semi-désert du Karoo en Afrique du Sud. Crédit : SARAO

Dévoiler le mystère avec MeerKAT

Notre équipe internationale d’astronomes utilise le radiotélescope MeerKAT en Afrique du Sud pour effectuer de telles observations du système, appelé NGC 1851E.

Celles-ci nous ont permis de détailler précisément les orbites des deux objets, montrant que leur point de rapprochement le plus proche change avec le temps. De tels changements sont décrits par la théorie de la relativité d’Einstein et la vitesse d’un changement nous renseigne sur la masse combinée des corps du système.

Nos observations ont révélé que le système NGC 1851E pèse presque quatre fois plus que notre Soleil et que son compagnon sombre était, comme le pulsar, un objet compact, bien plus dense qu’une étoile normale. Les étoiles à neutrons les plus massives pèsent environ deux masses solaires, donc s’il s’agissait d’un système d’étoiles à neutrons doubles (systèmes bien connus et étudiés), il devrait alors contenir deux des étoiles à neutrons les plus lourdes jamais trouvées.

Pour découvrir la nature du compagnon, il faudrait comprendre comment la masse du système était répartie entre les étoiles. En utilisant toujours la relativité générale d’Einstein, nous pourrions modéliser le système en détail, trouvant que la masse du compagnon se situe entre 2,09 et 2,71 fois la masse du Soleil.

La masse du compagnon se situe dans « l’écart de masse des trous noirs » qui se situe entre les étoiles à neutrons les plus lourdes possibles, estimées à environ 2,2 masses solaires, et les trous noirs les plus légers pouvant être formés à partir d’un effondrement stellaire, autour de 5 masses solaires. La nature et la formation des objets dans cette lacune constituent une question en suspens en astrophysique.

Candidats possibles

Alors qu’avons-nous trouvé exactement ?

Radio Pulsar NGC 1851E et histoire de la formation d'étoiles exotiques

Historique de la formation potentielle du radio-pulsar NGC 1851E et de son étoile compagnon exotique. Crédit : Thomas Tauris (Université d’Aalborg / MPIfR)

Une possibilité séduisante est que nous ayons découvert un pulsar en orbite autour des restes d’une fusion (collision) de deux étoiles à neutrons. Une telle configuration inhabituelle est rendue possible par la densité des étoiles dans NGC 1851.

Sur cette piste de danse stellaire bondée, les stars virevolteront les unes autour des autres, échangeant leurs partenaires dans une valse sans fin. Si deux étoiles à neutrons sont projetées trop près l’une de l’autre, leur danse prendra fin de manière cataclysmique.

Le trou noir créé par leur collision, qui peut être beaucoup plus léger que ceux créés par l’effondrement des étoiles, est alors libre de se déplacer dans l’amas jusqu’à ce qu’il trouve une autre paire de danseurs dans la valse et, assez grossièrement, s’y insère – expulsant le partenaire le plus léger. Dans le processus. C’est ce mécanisme de collisions et d’échanges qui pourrait donner naissance au système que nous observons aujourd’hui.

Continuer la quête

Nous n’en avons pas encore fini avec ce système. Des travaux sont déjà en cours pour identifier de manière concluante la véritable nature du compagnon et révéler si nous avons découvert le trou noir le plus léger ou l’étoile à neutrons la plus massive – ou peut-être ni l’un ni l’autre.

À la frontière entre les étoiles à neutrons et les trous noirs, il est toujours possible qu’un nouvel objet astrophysique, encore inconnu, existe.

De nombreuses spéculations suivront certainement cette découverte, mais ce qui est déjà clair, c’est que ce système est extrêmement prometteur lorsqu’il s’agit de comprendre ce qui arrive réellement à la matière dans les environnements les plus extrêmes de l’univers.

Écrit par:

  • Ewan D. Barr – Scientifique du projet pour la collaboration Transitoires et Pulsars avec MeerKAT (TRAPUM), Institut Max Planck de radioastronomie
  • Arunima Dutta – Doctorante au Département de recherche Physique fondamentale en radioastronomie, Institut Max Planck de radioastronomie
  • Benjamin Stappers – Professeur d’astrophysique, Université de Manchester

Adapté d’un article initialement publié dans The Conversation.La conversation

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