GW230529 : Observation de la fusion d’une étoile à neutrons et d’un objet compact inconnu

La première détection directe d’ondes gravitationnelles (OGs) par les
détecteurs LIGO en 2015 marqua l’aube d’une nouvelle
ère pour l’astronomie. Depuis, de nombreuses autres détections d’OGs
ont été faites, provenant de différents types de fusions de
systèmes binaires d’astres compacts, systèmes composés d’étoiles à neutrons
et/ou de trous noirs. Pour GW230529, malgré le fait que seul un des
détecteurs (LIGO-Livingston) a produit des données utilisables au
moment de l’évènement, les techniques et méthodes d’analyse poussées
tel que le filtrage adapté ont permis de l’identifier clairement.

Depuis plusieurs années les scientifiques pensent qu’il n’existe pas
d’astre compact (ni étoile à neutrons, ni trou noir) dans un
intervalle de masse entre 3 masses solaires et 5 masses solaires,
appelé le "mass gap". La raison en est que les étoiles à neutrons ont
une masse maximale autour de 3 masses solaires et que la formation
d’un trou noir stellaire avec une masse aussi faible est
difficile. Avec une masse estimée à environ 3.6 masses solaires de
l’objet le plus massif, GW230529 est le premier candidat pour un
système binaire avec une composante dans ce "mass gap". Étant donné
notre compréhension actuelle des populations d’étoiles à neutrons et
trous noirs, cette masse est compatible (avec une probabilité de 99%)
avec un trou noir. Toutefois, la probabilité que ce soit une étoile à
neutrons est faible mais non nulle. Ainsi, nous ne pouvons pas exclure
avec certitude le scénario où cette composante est une étoile à
neutrons. En revanche, le second objet de GW230529, dont la masse a
90% de chance de se trouver entre 1.2 masses solaires et 2.0 masses
solaires, est très probablement une étoile à neutrons. Grâce à une
composante se trouvant très probablement dans le "mass gap", GW230529
est une excellente observation pour raffiner nos modèles d’évolution
et fin de vie des étoiles "normales" (séquence principale).

Le processus de formation de GW230529 est assez incertain. Les
connaissances actuelles des supernovas gravitationnelles défavorisent
ce scénario comme étant à l’origine de la composante inconnue à cause
de sa masse. Un scénario plus plausible est une formation par
retombée, où un trou noir se forme après la supernova via l’accrétion
de matière résiduelle. A ce jour les modèles numériques de ces
processus sont toujours sujets à de forte incertitudes, rendant
difficile la détermination précise des limites des masses des étoiles
à neutrons et trous noirs. GW230529 est par conséquent un atout
précieux pour contraindre ces modèles.

Un autre scénario possible pour la formation de cet astre dans le
"mass gap" est au travers d’une fusion d’étoiles à neutrons. On peut
imaginer dans ce cas que l’autre astre de GW230529 serait le membre
d’un ancien système triple. Enfin une dernière possibilité est que cet
autre astre ait été capturé par l’objet inconnu lorsqu’il évoluait
dans un jeune amas stellaire ou un noyau actif de galaxie. Nous ne
pouvons pas non plus exclure une origine non-stellaire telle qu’un
trou noir primordial, formé au début de l’Univers.