Les missions de la NASA sondent une explosion cosmique révolutionnaire


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  • Le 11 décembre 2021, l’observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA et le télescope spatial à rayons gamma Fermi ont détecté une explosion de lumière à haute énergie provenant de la périphérie d’une galaxie à environ 1 milliard d’années-lumière. L’événement a ébranlé la compréhension des scientifiques des sursauts gamma (GRB), les événements les plus puissants de l’univers.

    Au cours des dernières décennies, les astronomes ont généralement divisé les GRB en deux catégories. Les longues rafales émettent des rayons gamma pendant deux secondes ou plus et proviennent de la formation d’objets denses comme des trous noirs au centre d’étoiles massives qui s’effondrent. De courtes rafales émettent des rayons gamma pendant moins de deux secondes et sont causées par des fusions d’objets denses comme des étoiles à neutrons. Les scientifiques observent parfois de courtes rafales suivies d’une éruption de lumière visible et infrarouge appelée kilonova.

    « Ce sursaut, nommé GRB 211211A, a changé de paradigme car il s’agit du premier sursaut gamma de longue durée retracé à l’origine d’une fusion d’étoiles à neutrons », a déclaré Jillian Rastinejad, étudiante diplômée à l’Université Northwestern d’Evanston, dans l’Illinois, qui a dirigé une équipe qui a étudié l’éclatement. « L’éclatement à haute énergie a duré environ une minute, et nos observations de suivi ont conduit à l’identification d’une kilonova. Cette découverte a de profondes implications sur la façon dont les éléments lourds de l’univers sont apparus. »

    Un bref sursaut gamma classique commence par deux étoiles à neutrons en orbite, les restes écrasés d’étoiles massives qui ont explosé en supernovae. Au fur et à mesure que les étoiles tournent de plus en plus près, elles arrachent les unes aux autres des matériaux riches en neutrons. Ils génèrent également des ondes gravitationnelles, ou des ondulations dans l’espace-temps, bien qu’aucune n’ait été détectée à partir de cet événement.

    Finalement, les étoiles à neutrons entrent en collision et fusionnent, créant un nuage de débris chauds émettant de la lumière sur plusieurs longueurs d’onde. Les scientifiques émettent l’hypothèse que les jets de particules à grande vitesse, lancés par la fusion, produisent l’éruption initiale de rayons gamma avant d’entrer en collision avec l’épave. La chaleur générée par la désintégration radioactive des éléments dans les débris riches en neutrons crée probablement la lumière visible et infrarouge de la kilonova. Cette décomposition entraîne la production d’éléments lourds comme l’or et le platine.

    « Il y a de nombreuses années, Neil Gehrels, un astrophysicien et homonyme de Swift, a suggéré que les fusions d’étoiles à neutrons pourraient produire de longues sursauts », a déclaré Eleonora Troja, astrophysicienne à l’Université de Rome qui dirigeait une autre équipe qui a étudié le sursaut. « La kilonova que nous avons observée est la preuve qui relie les fusions à ces événements de longue durée, nous obligeant à repenser la formation des trous noirs. »

    Fermi et Swift ont détecté l’éclatement simultanément, et Swift a pu identifier rapidement son emplacement dans la constellation de Boötes, permettant à d’autres installations de réagir rapidement avec des observations de suivi. Leurs observations ont fourni le premier aperçu des premiers stades d’une kilonova.

    De nombreux groupes de recherche se sont penchés sur les observations recueillies par Swift, Fermi, le télescope spatial Hubble et d’autres. Certains ont suggéré que les bizarreries de l’éclatement pourraient s’expliquer par la fusion d’une étoile à neutrons avec un autre objet massif, comme un trou noir. L’événement était également relativement proche, selon les normes de sursaut gamma, ce qui a peut-être permis aux télescopes de capter la lumière plus faible de la kilonova. Peut-être que de longues rafales lointaines pourraient également produire des kilonovae, mais nous n’avons pas pu les voir.

    La lumière suivant le sursaut, appelée émission rémanente, présentait également des caractéristiques inhabituelles. Fermi a détecté des rayons gamma à haute énergie commençant 1,5 heure après l’éclatement et durant plus de 2 heures. Ces rayons gamma ont atteint des énergies allant jusqu’à 1 milliard d’électron-volts. (L’énergie de la lumière visible mesure entre environ 2 et 3 électrons volts, à titre de comparaison.)

    « C’est la première fois que nous voyons un tel excès de rayons gamma à haute énergie dans la rémanence d’un événement de fusion. Normalement, cette émission diminue avec le temps », a déclaré Alessio Mei, doctorant à l’Institut des sciences du Gran Sasso à L. ‘Aquila, Italie, qui a dirigé un groupe qui a étudié les données. « Il est possible que ces rayons gamma à haute énergie proviennent de collisions entre la lumière visible de la kilonova et les électrons des jets de particules. Les jets pourraient être affaiblis par l’explosion d’origine ou de nouveaux alimentés par le trou noir ou le magnétar résultant. »

    Les scientifiques pensent que les fusions d’étoiles à neutrons sont une source majeure d’éléments lourds de l’univers. Ils ont basé leurs estimations sur le taux de courtes rafales supposées se produire à travers le cosmos. Maintenant, ils devront également prendre en compte les longues rafales dans leurs calculs.

    Une équipe dirigée par Benjamin Gompertz, astrophysicien à l’Université de Birmingham au Royaume-Uni, s’est penchée sur l’ensemble de la courbe de lumière à haute énergie, ou l’évolution de la luminosité de l’événement au fil du temps. Les scientifiques ont noté des caractéristiques qui pourraient fournir une clé pour identifier des incidents similaires – de longues rafales de fusions – à l’avenir, même ceux qui sont plus faibles ou plus éloignés. Plus les astronomes en trouveront, plus ils pourront affiner leur compréhension de cette nouvelle classe de phénomènes.

    Le 7 décembre 2022, des articles dirigés par Rastinejad, Troja et Mei ont été publiés dans la revue scientifique Nature, et un article dirigé par Gompertz a été publié dans Nature Astronomy.

    « Ce résultat souligne l’importance de nos missions travaillant ensemble et avec d’autres pour fournir un suivi multi-longueur d’onde de ces types de phénomènes », a déclaré Regina Caputo, scientifique du projet Swift, au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. « Des efforts coordonnés similaires ont laissé entendre que certaines supernovae pourraient produire de courtes rafales, mais cet événement est le dernier clou dans le cercueil de la simple dichotomie que nous utilisons depuis des années. Vous ne savez jamais quand vous pourriez trouver quelque chose de surprenant. »

    Le Goddard Space Flight Center de la NASA gère les missions Swift et Fermi.

    Swift est une collaboration avec Penn State, le Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique et Northrop Grumman Space Systems à Dulles, en Virginie, avec d’importantes contributions de partenaires au Royaume-Uni et en Italie.

    Fermi est une collaboration avec le département américain de l’énergie, avec d’importantes contributions de partenaires en France, en Allemagne, en Italie, au Japon, en Suède et aux États-Unis.

    Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l’ESA (Agence spatiale européenne). Goddard gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore mène des opérations scientifiques. STScI est exploité pour la NASA par l’Association des universités pour la recherche en astronomie, à Washington, DC

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