Le sursaut gamma « éteint » de la supernova –

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  • Le 26 août 2020, le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a détecté une impulsion de rayonnement de haute énergie qui s’était dirigée vers la Terre pendant près de la moitié de l’âge actuel de l’univers. D’une durée d’environ une seconde seulement, il s’est avéré être l’un des records – le sursaut gamma (GRB) le plus court causé par la mort d’une étoile massive jamais vue.

    Les GRB sont les événements les plus puissants de l’univers, détectables à travers des milliards d’années-lumière. Les astronomes les classent comme longs ou courts selon que l’événement dure plus ou moins de deux secondes. Ils observent de longs sursauts associés à la disparition d’étoiles massives, tandis que des sursauts courts ont été liés à un scénario différent.

    “Nous savions déjà que certains GRB d’étoiles massives pouvaient s’enregistrer comme des GRB courts, mais nous pensions que cela était dû à des limitations instrumentales”, a déclaré Bin-bin Zhang à l’Université de Nanjing en Chine et à l’Université du Nevada à Las Vegas. “Ce sursaut est spécial car il s’agit certainement d’un GRB de courte durée, mais ses autres propriétés indiquent son origine à partir d’une étoile en train de s’effondrer. Maintenant, nous savons que les étoiles mourantes peuvent également produire de courts sursauts.”

    Nommée GRB 200826A, après la date à laquelle elle s’est produite, la rafale fait l’objet de deux articles publiés dans Astronomie de la nature le lundi 26 juillet. Le premier, dirigé par Zhang, explore les données des rayons gamma. La seconde, dirigée par Tomás Ahumada, doctorant à l’Université du Maryland, College Park et au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, décrit la rémanence de plusieurs longueurs d’onde du GRB et la lumière émergente de l’explosion de la supernova qui a suivi.

    “Nous pensons que cet événement était effectivement un échec, qui était sur le point de ne pas se produire du tout”, a déclaré Ahumada. “Même ainsi, le sursaut a émis 14 millions de fois l’énergie libérée par l’ensemble de la galaxie de la Voie lactée sur le même laps de temps, ce qui en fait l’un des GRB de courte durée les plus énergétiques jamais vus.”

    Lorsqu’une étoile beaucoup plus massive que le Soleil manque de carburant, son noyau s’effondre soudainement et forme un trou noir. Alors que la matière tourbillonne vers le trou noir, une partie s’en échappe sous la forme de deux jets puissants qui se précipitent vers l’extérieur à presque la vitesse de la lumière dans des directions opposées. Les astronomes ne détectent un GRB que lorsque l’un de ces jets pointe presque directement vers la Terre.

    Chaque jet perce l’étoile, produisant une impulsion de rayons gamma – la forme de lumière la plus énergétique – qui peut durer jusqu’à quelques minutes. Après le sursaut, l’étoile perturbée se développe alors rapidement en supernova.

    Les GRB courts, d’autre part, se forment lorsque des paires d’objets compacts – tels que les étoiles à neutrons, qui se forment également lors de l’effondrement stellaire – spiralent vers l’intérieur sur des milliards d’années et entrent en collision. Les observations de Fermi ont récemment permis de montrer que, dans les galaxies voisines, les éruptions géantes d’étoiles à neutrons isolées et supermagnétisées se déguisent également en GRB courts.

    GRB 200826A était une explosion d’émissions à haute énergie d’une durée de seulement 0,65 seconde. Après avoir voyagé pendant des éons à travers l’univers en expansion, le signal s’était étiré sur environ une seconde lorsqu’il a été détecté par le moniteur de rafales gamma de Fermi. L’événement est également apparu dans les instruments à bord de la mission Wind de la NASA, qui orbite un point entre la Terre et le Soleil situé à environ 930 000 miles (1,5 million de kilomètres), et Mars Odyssey, qui orbite autour de la planète rouge depuis 2001. L’ESA (l’espace européen Le satellite INTEGRAL de l’agence) a également observé l’explosion.

    Toutes ces missions participent à un système de localisation GRB appelé InterPlanetary Network (IPN), pour lequel le projet Fermi fournit l’intégralité du financement américain. Étant donné que la rafale atteint chaque détecteur à des moments légèrement différents, n’importe quelle paire d’entre eux peut être utilisée pour aider à déterminer où dans le ciel elle s’est produite. Environ 17 heures après le GRB, l’IPN a réduit son emplacement à une portion de ciel relativement petite dans la constellation d’Andromède.

    À l’aide de la Zwicky Transient Facility (ZTF) financée par la National Science Foundation à l’observatoire de Palomar, l’équipe a analysé le ciel à la recherche de changements dans la lumière visible qui pourraient être liés à la rémanence de la décoloration du GRB.

    « Mener cette recherche revient à essayer de trouver une aiguille dans une botte de foin, mais l’IPN aide à réduire la botte de foin », a déclaré Shreya Anand, étudiante diplômée à Caltech et co-auteur de l’article sur la rémanence. “Sur plus de 28 000 alertes ZTF la première nuit, une seule répondait à tous nos critères de recherche et est également apparue dans la région du ciel définie par l’IPN.”

    Moins d’un jour après l’explosion, l’observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA a découvert une émission de rayons X en déclin à partir de ce même endroit. Quelques jours plus tard, une émission radio variable a été détectée par le Karl Jansky Very Large Array de l’Observatoire national de radioastronomie au Nouveau-Mexique. L’équipe a ensuite commencé à observer la rémanence avec une variété d’installations au sol.

    En observant la faible galaxie associée au sursaut à l’aide du Gran Telescopio Canarias, un télescope de 10,4 mètres de l’observatoire Roque de los Muchachos à La Palma, dans les îles Canaries, en Espagne, l’équipe a montré que sa lumière met 6,6 milliards d’années pour nous atteindre. C’est 48% de l’âge actuel de l’univers de 13,8 milliards d’années.

    Mais pour prouver que cette courte rafale provenait d’une étoile en train de s’effondrer, les chercheurs devaient également attraper la supernova émergente.

    “Si l’explosion a été causée par l’effondrement d’une étoile, une fois que la rémanence s’estompe, elle devrait s’éclaircir à nouveau à cause de l’explosion de la supernova sous-jacente”, a déclaré Leo Singer, astrophysicien Goddard et conseiller en recherche d’Ahumada. “Mais à ces distances, vous avez besoin d’un télescope très grand et très sensible pour repérer la lumière de la supernova à partir de l’éblouissement de fond de sa galaxie hôte.”

    Pour mener la recherche, Singer a obtenu du temps sur le télescope Gemini North de 8,1 mètres à Hawaï et l’utilisation d’un instrument sensible appelé Gemini Multi-Object Spectrograph. Les astronomes ont imagé la galaxie hôte en lumière rouge et infrarouge à partir de 28 jours après le sursaut, répétant la recherche 45 et 80 jours après l’événement. Ils ont détecté une source proche infrarouge – la supernova – dans la première série d’observations qui n’a pas pu être vue dans les suivantes.

    Les chercheurs soupçonnent que cette explosion a été propulsée par des jets qui ont à peine émergé de l’étoile avant de s’arrêter, au lieu du cas plus typique où des jets de longue durée sortent de l’étoile et parcourent des distances considérables. Si le trou noir avait déclenché des jets plus faibles, ou si l’étoile était beaucoup plus grosse lorsqu’elle a commencé son effondrement, il n’y aurait peut-être pas eu de GRB du tout.

    La découverte aide à résoudre une énigme de longue date. Alors que les GRB longs doivent être couplés aux supernovae, les astronomes détectent un nombre bien plus important de supernovae que les GRB longs. Cet écart persiste même après avoir tenu compte du fait que les jets GRB doivent basculer presque dans notre champ de vision pour que les astronomes puissent les détecter.

    Les chercheurs concluent que les étoiles qui s’effondrent produisant de courts GRB doivent être des cas marginaux dont les jets à la vitesse de la lumière sont au bord du succès ou de l’échec, une conclusion cohérente avec l’idée que la plupart des étoiles massives meurent sans produire du tout de jets et de GRB. Plus largement, ce résultat démontre clairement que la durée d’une rafale à elle seule n’indique pas uniquement son origine.

    Le télescope spatial Fermi à rayons gamma est un partenariat d’astrophysique et de physique des particules géré par le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Fermi a été développé en collaboration avec le département américain de l’Énergie, avec d’importantes contributions d’institutions universitaires et de partenaires en France, en Allemagne, en Italie, au Japon, en Suède et aux États-Unis.

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