Imaginez deux toupies lancées sur une table. Si elles tournent dans le même sens, leur rotation totale est grande ; si elles tournent en sens inverse, la rotation totale peut être nulle, alors que chaque toupie tourne rapidement individuellement. Dans une paire d'étoiles à neutrons qui se rapprochent avant la fusion, ces toupies sont leurs rotations propres, c'est-à-dire leurs spins. Les ondes gravitationnelles émises par cette paire ne dépendent, en première approximation, que de la rotation totale moyenne, appelée spin effectif. Mais que se passe-t-il si les spins des étoiles sont différents alors que leur somme est identique ? Une nouvelle étude montre que les éjections de matière, la synthèse des éléments lourds et la luminosité de la kilonova, l'explosion qui suit la fusion, changent radicalement.
Les auteurs ont mené une série de simulations numériques de fusions d'étoiles à neutrons avec différentes masses et configurations de spins, tout en fixant le spin effectif à zéro. Il s'avère que la masse des éjections dynamiques, c'est-à-dire la matière éjectée en quelques secondes lors de la fusion, peut varier d'un facteur 45. La production d'éléments plus lourds que le baryum varie de plus de deux ordres de grandeur, et dans les modèles avec effondrement rapide en trou noir, de plus de quatre ordres de grandeur. C'est comme si deux usines ayant la même puissance totale de moteurs produisaient des quantités de marchandises différentes de plusieurs dizaines de fois.
La kilonova conserve cette empreinte : la luminosité de pic diffère jusqu'à 0,9 magnitude, et la couleur à une époque donnée jusqu'à 1,5 magnitude. À une distance de 40 mégaparsecs, les trois paires à spin effectif nul restent observables simultanément dans les bandes optique et infrarouge, quel que soit l'angle de vue. Cela signifie que les observations électromagnétiques peuvent distinguer des paires ayant le même spin effectif mais des spins individuels différents, ouvrant ainsi la voie à une meilleure compréhension de l'histoire de formation de ces systèmes.
Ce travail montre que les spins individuels des étoiles à neutrons ne sont pas un simple détail du signal gravitationnel, mais un facteur clé qui détermine le sort des éjections et de la luminosité. C'est la première preuve systématique que des paires ayant le même spin effectif peuvent produire des signaux électromagnétiques radicalement différents. Parmi les études voisines qui ont examiné l'influence de la rotation sur les éjections et les kilonovas, celle-ci se distingue par le fait qu'elle fixe le spin effectif et fait varier les spins individuels, tout en incluant l'absorption de neutrinos et l'analyse de tous les canaux d'éjection. Cela permet de lever la dégénérescence entre les spins, qui limite l'interprétation des observations gravitationnelles.
Dans l'un des modèles avec spins opposés, les éjections rapides (à plus de 0,6 fois la vitesse de la lumière) atteignent une masse d'environ un millième de la masse solaire, soit des dizaines de fois plus que dans les fusions typiques sans rotation. Ces éjections pourraient être à l'origine des composantes les plus rapides de la kilonova.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Rendez-vous avec Rama », un vaisseau extraterrestre utilise une manœuvre gravitationnelle près du Soleil pour modifier sa trajectoire. Les fusions d'étoiles à neutrons sont une version naturelle de cette manœuvre : les spins des étoiles, comme des gyroscopes invisibles, dirigent les flux de matière et déterminent le sort du système.