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Kilonova

Une kilonova, aussi nommée macronova ou supernova à processus r, est un phénomène astronomique qui se produit lors de la fusion de deux étoiles à neutrons ou d'une étoile à neutrons et d'un trou noir, dans un système binaire.

Vue d'artiste d'une kilonova.

Un rayonnement électromagnétique intense est émis du fait de la désintégration d'ions lourds produits par processus r et éjectés de façon relativement isotrope pendant le processus de fusion — comme pour une brève supernova de faible luminosité[1].

Entre 2017 et 2021, la communauté scientifique a identifié environ 50 signaux qui seraient issus de kilonovae[2].

Histoire

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La première kilonova observée par le télescope Hubble[3].

Le terme kilonova est introduit en 2010 par Metzger et al.[4] pour décrire un pic de luminosité, qui peut atteindre 1 000 fois celui d'une nova classique, d'où l'utilisation du préfixe « kilo »[4], et un à dix pour cent de la brillance d'une supernova[5].

La première suggestion d'observation d'une kilonova est faite en 2008 à la suite de l'observation du sursaut gamma court GRB 080503 (d)[6]. Une autre observation de kilonova est postulée en 2013, cette fois par l'observation du sursaut court GRB 130603B (ja)[1],[7].

Le 16 octobre 2017, les observatoires LIGO et VIRGO annoncent la première détection simultanée d'ondes gravitationnelles associées à l'événement GW170817[8], qui seraient liées à une kilonova causée par la fusion d'étoile à neutron[9],[10],[11],[12]. Les chercheurs obervent également une émission de rayons X, qui diminue en intensité pour finir par se stabiliser en 2020[13].

En octobre 2018, des astronomes font un parallèle entre GRB 150101B (d) et GW170817[14]. Les similarités entre les deux évènements, en ce qui concerne les émissions de rayon gamma, l'optique et les émissions de rayon x, aussi bien que la nature de l'association des galaxies hôtes, sont considérées « frappantes »[15] et cette ressemblance remarquable suggère que ces deux événements séparés et indépendants proviennent de la même collision d'étoiles à neutron et ils peuvent venir d'une classe inconnue jusqu'alors de kilonova transitoire. Donc, selon ces chercheurs, on peut en conclure que les kilonovae sont des évènements plus diversifiés et communs dans l'Univers qu'on le pensait précédemment[16],[14],[15],[17].

En 2020, des astronomes détectent une kilonova à 5,4 milliards d'années-lumières de la Voie lactée, reliée à GRB 200522A (d). Après une analyse effectuée avec le télescope Hubble, les scientifiques ont détecté que la partie des infrarouges du spectre était 10 fois plus lumineux que ce qui est prévu lors d'une kilonova. Cela pourrait s'expliquer par la création d'un magnétar[18],[19].

Formation

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Les étoiles à neutrons représentent environ 0,1 % de la masse stellaire totale d'une galaxie[20]. Cependant, plusieurs d'entre elles se retrouvent au sein de systèmes binaires avec une étoile massive[21]. Si les conditions appropriées sont réunies, à savoir que les étoiles ont une masse suffisante pour engendrer une supernova et que les étoiles sont assez éloignées l'une de l'autre pour éviter une perturbation trop importante du compagnon lors du cataclysme[21], un système binaire d'étoiles à neutron peut se former.

 
Vue d'artiste de deux étoiles à neutrons en rotation.

Sur plusieurs millions d'années, les deux astres se rapprochent en raison de la perte d'énergie engendrée par l'émission d'ondes gravitationnelles. Un modèle de fusion d'étoiles à neutron est proposé par Li-Xin Li et Bohdan Paczyński en 1998[22],[23]. Ainsi, on peut, notamment, évaluer le temps avant la collision ( ) en fonction de la distance entre les deux corps ( ), de la constante gravitationnelle ( ), de la vitesse de la lumière ( ) et de la masse des deux corps (  et  ) selon la relation[24] :

 

Quelques instants avant la collision, le système peut atteindre une fréquence de 60 000 tours par minute. Quant à elle, la fusion ne durerait que quelques millisecondes et dégagerait une quantité phénoménale d'énergie[25],[20],[26],[27].

Le rapprochement en spirale et la fusion de ces objets compacts seraient une importante source d'ondes gravitationnelles[4],[28]. Cela pourrait également créer des progéniteurs (en) de sursauts gamma[4],[28] et être la source principale dans l'Univers des éléments chimiques les plus lourds, produits par processus r[1].

Source d'éléments lourds

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Notes et références

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  1. ↑ a b et c (en) N. R. Tanvir, A. J. Levan, A. S. Fruchter, J. Hjorth, R. A. Hounsell, K. Wiersema et R. L. Tunnicliffe, « A ‘kilonova’ associated with the short-duration γ-ray burst GRB 130603B », Nature, no 500,‎ , p. 547-549 (DOI 10.1038/nature12505)
  2. ↑ « LIGO-Virgo-KAGRA Finds Elusive Mergers of Black Holes with Neutron Stars », sur LIGO Lab / Caltech (consulté le ).
  3. ↑ (en) « Hubble observes source of gravitational waves for the first time », sur www.spacetelescope.org (consulté le )
  4. ↑ a b c et d (en) Metzger, B. D., Martínez-Pinedo, G., Darbha, S., Quataert, E., Arcones, A., Kasen, D., Thomas, R., Nugent, P., Panov, I. V. et Zinner, N. T., « Electromagnetic counterparts of compact object mergers powered by the radioactive decay of r-process nuclei » [« Contreparties électromagnétiques des fusions d'objets compacts alimentées par la désintégration radioactive de noyau produits par processus r »], Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 406, no 4,‎ , p. 2650 (DOI 10.1111/j.1365-2966.2010.16864.x, Bibcode 2010MNRAS.406.2650M, arXiv 1001.5029)
  5. ↑ (en) « Hubble captures infrared glow of a kilonova blast », spacetelescope.org, (consulté le )
  6. ↑ (en) D. A. Perley, B. D. Metzger, J. Granot, N. R. Butler, T. Sakamoto, E. Ramirez-Ruiz, A. J. Levan, J. S. Bloom et A. A. Miller, « GRB 080503: Implications of a Naked Short Gamma-Ray Burst Dominated by Extended Emission », The Astrophysical Journal, vol. 696, no 2,‎ , p. 1871–1885 (DOI 10.1088/0004-637X/696/2/1871, Bibcode 2009ApJ...696.1871P, arXiv 0811.1044, S2CID 15196669)
  7. ↑ (en) DNews, « Kilonova Alert! Hubble Solves Gamma Ray Burst Mystery », sur Seeker,
  8. ↑ (en) B. P. Abbott, R. Abbott, T. D. Abbott, F. Acernese, K. Ackley, C. Adams, T. Adams, P. Addesso, R. X. Adhikari et V. B. Adya, « GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral », Physical Review Letters, vol. 119, no 16,‎ , p. 161101 (PMID 29099225, DOI 10.1103/PhysRevLett.119.161101, Bibcode 2017PhRvL.119p1101A, arXiv 1710.05832)
  9. ↑ (en) M. Coleman Miller, « Gravitational waves: A golden binary », Nature, vol. News and Views, no 7678,‎ , p. 36 (DOI 10.1038/nature24153  , Bibcode 2017Natur.551...36M)
  10. ↑ (en) E. Berger, « Focus on the Electromagnetic Counterpart of the Neutron Star Binary Merger GW170817 », Astrophysical Journal Letters,‎ (lire en ligne, consulté le )
  11. ↑ (en) Valerie Connaughton, « Focus on electromagnetic counterparts to binary black hole mergers » (Editorial), The Astrophysical Journal Letters,‎ (lire en ligne)
  12. ↑ (en) Abraham Loeb, « Electromagnetic counterparts to black hole mergers detected by LIGO », The Astrophysical Journal Letters, vol. 819, no 2,‎ , p. L21 (DOI 10.3847/2041-8205/819/2/L21  , Bibcode 2016ApJ...819L..21L, arXiv 1602.04735)
  13. ↑ (en) « Evidence for X-ray Emission in Excess to the Jet Afterglow Decay 3.5 yrs After the Binary Neutron Star Merger GW 170817: A New Emission Component », sur Arxiv,
  14. ↑ a et b (en) Troja, E. et al., « A luminous blue kilonova and an off-axis jet from a compact binary merger at z = 0.1341 », Nature Communications, vol. 9, no 1,‎ , p. 4089 (PMID 30327476, PMCID 6191439, DOI 10.1038/s41467-018-06558-7, Bibcode 2018NatCo...9.4089T, arXiv 1806.10624)
  15. ↑ a et b (en) Lee Mohon, « GRB 150101B: A Distant Cousin to GW170817 », NASA,‎ (lire en ligne, consulté le )
  16. ↑ (en) University of Maryland, « All in the family: Kin of gravitational wave source discovered - New observations suggest that kilonovae -- immense cosmic explosions that produce silver, gold and platinum--may be more common than thought », EurekAlert!,‎ (lire en ligne, consulté le )
  17. ↑ (en) Mike Wall, « Powerful Cosmic Flash Is Likely Another Neutron-Star Merger », sur Space.com, (consulté le )
  18. ↑ (en) « The Broad-band Counterpart of the Short GRB 200522A at z=0.5536: A Luminous Kilonova or a Collimated Outflow with a Reverse Shock? », sur Arxiv,
  19. ↑ (en) Victoria M. Kaspi et Andrei M. Beloborodov, « Magnetars », Annual Review of Astronomy and Astrophysics, vol. 55, no 1,‎ , p. 261–301 (DOI 10.1146/annurev-astro-081915-023329, Bibcode 2017ARA&A..55..261K, arXiv 1703.00068)
  20. ↑ a et b (en)https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2020.609460/full#B179
  21. ↑ a et b (en) Sana, H., Mink, S. E. d., Koter, A. d., Langer, N., Evans, C. J., Geiles, M., et al. (2012). Binary interaction dominates the evolution of massive stars. Science. 337, 444. doi:10.1126/science.1223344
  22. ↑ (en) L.-X. Li, B. Paczyński, A. S. Fruchter, J. Hjorth, R. A. Hounsell, K. Wiersema et R. Tunnicliffe, « Transient Events from Neutron Star Mergers », The Astrophysical Journal, vol. 507, no 1,‎ , L59–L62 (DOI 10.1086/311680, Bibcode 1998ApJ...507L..59L, arXiv astro-ph/9807272, S2CID 3091361)
  23. ↑ (en) Brian D. Metzger, « Kilonovae », Living Reviews in Relativity, vol. 23, no 1,‎ , p. 1 (ISSN 1433-8351, PMID 31885490, PMCID 6914724, DOI 10.1007/s41114-019-0024-0, arXiv 1910.01617, lire en ligne)
  24. ↑ (en)(PDF). 29 January 2016 https://web.archive.org/web/20160129142844/http://www.eftaylor.com/exploringblackholes/GravWaves150909v1.pdf. Archived from the original (PDF) on 29 January 2016.
  25. ↑ (en)https://svs.gsfc.nasa.gov/10543#:~:text=This%20causes%20the%20orbits%20to,at%2060%2C000%20times%20a%20minute.
  26. ↑ (en) Eichler, D., Livio, M., Piran, T., and Schramm, D. N. (1989). Nucleosynthesis, neutrino bursts and gamma-rays from coalescing neutron stars. Nature 340, 126. doi:10.1038/340126a0
  27. ↑ (en) Fang, K., and Metzger, B. D. (2017). High-energy neutrinos from millisecond magnetars formed from the merger of binary neutron stars. Astrophys. J 849, 153. doi:10.3847/1538-4357/aa8b6a
  28. ↑ a et b (en) Nicole Gugliucci, « Kilonova Alert! Hubble Solves Gamma Ray Burst Mystery » [« Alerte aux kilonovae ! Hubble résout le mystère des sursauts gamma »], sur news.discovery.com, Discovery Communications, (consulté le )

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