Des astronomes découvrent une énigmatique explosion cosmique

Samedi 17 décembre 2022 — Dernier ajout dimanche 22 janvier 2023
EXPLOSIONS COSMIQUES : Les sursauts gamma sont les explosions les plus puissantes de l’Univers, résultant soit de l’effondrement d’étoiles, soit de la collision de deux restes stellaires compacts. Mais une découverte récente ne rentre dans aucune de ces catégories, ou dans les deux, ce qui remet en question notre compréhension de leur source. Les astronomes de l’Institut Niels Bohr ont joué un rôle important dans l’étude qui pourrait nous amener à réviser nos théories sur ces événements violents.
Vue d’artiste d’un sursaut gamma provoqué par la violente collision de deux étoiles à neutrons massives, suite à leur danse macabre inspirante. En plus du rayonnement à haute énergie et de la matière crachée dans un jet étroit, l’événement est considéré comme la principale usine d’éléments lourds de l’Univers, y compris l’or et le platine. Crédit : A. Simonnet (Sonoma State University) et Goddard Space Flight Center.

Daniele Bjørn Malesani effectuait une observation de suivi de routine d’un sursaut gamma, nommé GRB 211211A, à l’aide du Nordic Optical Telescope sur l’île canarienne de La Palma. Une procédure standard après avoir reçu le message texte qui a été automatiquement déclenché par le vaisseau spatial « Neil Gehrels Swift Observatory » qui surveille le ciel pour détecter les sursauts gamma.

Les énigmatiques sursauts gamma

Les sursauts gamma ont été découverts pour la première fois en 1967 par le satellite Vela, construit pour surveiller le ciel pour d’éventuels essais d’armes nucléaires, ce qui constituerait une violation du Traité d’interdiction des essais nucléaires de 1963. D’abord supposés provenir de sources proches de notre propre galaxie, des observatoires spatiaux plus sensibles ont révélé, dans les années 1990, qu’ils devaient provenir de loin en dehors de la Voie lactée, répartis dans tout l’Univers.

La nature transitoire des sursauts les rendait difficiles à étudier, mais depuis la fin des années 1990, les astronomes ont pu détecter également leur rémanence moins énergétique, des rayons X à la lumière optique, en passant par l’infrarouge, aidant à établir une théorie de leur origine.

Les sursauts gamma se déclinent en deux versions, « courte » et « longue », qui, jusqu’à présent, étaient considérées comme résultant de deux mécanismes physiques différents, à savoir la fusion de deux objets compacts et l’effondrement d’une étoile massive, respectivement. . Avec les nouvelles observations, cette théorie est maintenant remise en question.

Mais quelque chose n’allait pas tout à fait…

Malesani est astronome à l’Université Radboud aux Pays-Bas et chercheur invité au Cosmic Dawn Center à Copenhague. Il est spécialiste des sursauts gamma, les explosions les plus énergétiques de l’Univers.

Mais pour comprendre ce qui n’allait pas, regardons d’abord ce qu’est un « sursaut gamma » :

Aussi brillant que l’univers lui-même

Les sursauts gamma sont des éclairs brefs et ultra-lumineux de la forme de lumière la plus énergétique, les rayons gamma. Principalement détectés dans l’Univers très lointain, ils se répartissent généralement en deux catégories dont on pense qu’elles résultent de deux scénarios physiques différents :

Les rafales « longues » durent généralement de quelques secondes à plusieurs minutes, mais sont souvent accompagnées d’une rémanence plus longue de lumière moins énergétique. On les trouve dans les régions les plus stellaires des galaxies et on pense qu’elles sont le résultat d’une étoile massive qui s’effondre en une étoile à neutrons compacte ou un trou noir, éjectant ses parties extérieures dans une immense explosion, semblable à une supernova.

Les rafales « courtes » sont encore plus fugaces, avec des durées typiques de 1/10 à 1 seconde. On les voit souvent décalées des centres galactiques, voire en dehors des galaxies. La théorie dominante est qu’ils sont le résultat de deux étoiles massives en orbite l’une autour de l’autre dans un système « binaire ». À un moment donné, elles explosent en supernovae, les expulsant de leur galaxie hôte. Finalement, cependant, les deux objets vont s’enrouler et fusionner, entraînant une rafale de rayons gamma.

Dans les deux cas, l’énergie libérée est époustouflante : à leur apogée, elles peuvent briller aussi fort que toutes les étoiles de l’univers observable réunies (en supposant qu’elles émettent de la lumière de manière égale dans toutes les directions ; en réalité, elles sont probablement un peu moins brillantes, mais émettent la majeure partie de leur lumière dans des jets étroits, où nous nous trouvons juste dans cette direction).

Signaux mixtes

Quel était donc le problème avec le burst de Malesani, GRB 211211A ? Eh bien, cela semblait n’entrer dans aucune de ces catégories, ou peut-être dans les deux.

Le Nordic Optical Telescope sur le sommet de la montagne de 2400 mètres d’altitude Roche de los Muchachos à La Palma. Crédit photo : Peter Laursen (Cosmic Dawn Center).

« Les observations ont montré que le sursaut provenait de l’extérieur d’une galaxie typique pour héberger de courts sursauts. Mais plutôt que d’être une milliseconde ou quelques secondes, cette bête a duré près d’une minute », explique Malesani.

Cet événement particulier a incité une équipe internationale d’astronomes, dirigée par Jillian Rastinejad de l’Université Northwestern (États-Unis), à lancer une campagne intensive pour étudier cet objet surprenant. Ces efforts ont conduit à la découverte complètement inattendue d’une soi-disant kilonova, la preuve irréfutable de la collision de deux étoiles à neutrons, ou d’une étoile à neutrons et d’un trou noir.

Les fusions binaires d’étoiles à neutrons sont largement considérées comme les précurseurs de courts sursauts gamma. La raison pour laquelle celle-ci a été suivie d’une longue rafale a intrigué les astronomes.

Luca Izzo, astronome de la section de recherche DARK de l’Institut Niels Bohr, a participé à l’étude. Il commente : « Les sursauts gamma peuvent montrer une variété de comportements, mais la distinction entre les événements longs et courts est clairement établie depuis les années 1990 et est considérée comme l’un des piliers dans le domaine. Cette découverte nous a vraiment pris par surprise.

Un nouveau moteur pour fabriquer de l’or ?

On pense que les kilonovae sont le principal mécanisme de création d’éléments lourds tels que l’argent, l’or et le platine précieux, le plutonium et l’uranium radioactifs, ainsi que de nombreux autres. Comme toujours en physique, il n’existe pas de preuve définitive qu’une kilonova est responsable du long sursaut gamma.

Objets compacts

En astrophysique, le terme « objet compact » fait référence à l’un des trois objets exotiques qui sont tous les vestiges d’une étoile qui a épuisé son carburant.

Les naines blanches sont les restes d’une étoile de faible masse. Leurs masses sont comparables à celles de notre Soleil, mais elles n’ont que la taille de la Terre.

Les étoiles massives explosent en supernovae, laissant souvent derrière elles des étoiles à neutrons encore plus compactes, avec des masses de 1 à 2 soleils, mais à peine 10 km de diamètre.

S’ils sont plus massifs que 2 ou 3 Soleils, rien ne peut empêcher l’effondrement ultime dans un trou noir, avec plusieurs masses solaires comprimées en un point singulier d’où rien ne peut s’échapper.

Si les astronomes sont néanmoins confiants dans leur interprétation, cela tient à plusieurs circonstances. Johan Fynbo, professeur au Cosmic Dawn Center et participant à l’étude, explique :

"La rémanence de l’éclatement a montré des couleurs et des caractéristiques qui sont compatibles avec une kilonova, et qui n’ont été vues pour aucun autre type d’objets. De plus, nous ne nous attendrions pas à voir une étoile s’effondrer en dehors d’une galaxie, car voyager aussi loin prend des centaines de millions d’années, tandis que des étoiles massives s’effondrent sur des échelles de temps inférieures à 10 millions d’années.

Mais en principe, GRB 211211A pourrait être un effondrement à l’intérieur d’une galaxie faible ou poussiéreuse et non détectée, bien que les images de Hubble soient en effet très profondes et auraient dû le voir. « Des observations de suivi avec les radiotélescopes ALMA plus sensibles au Chili, ou le télescope spatial James Webb, pourraient régler ce problème », remarque Fynbo.

Si l’interprétation s’avère correcte, elle ouvre non seulement un nouveau mécanisme passionnant permettant aux kilonovae de former des éléments lourds. C’est aussi une forte motivation pour rechercher de nouveaux kilonovae à l’endroit des rafales longues.

Vue par le télescope spatial Hubble de l’emplacement des sursauts gamma GRB 211211A et de ses environs. Le zoom avant montre la rémanence de la rafale, telle qu’observée avec le télescope Gemini North à Hawaï. Le système binaire à l’origine de l’éclatement a probablement été éjecté par le passé de la grande galaxie bleuâtre à sa gauche. Crédit : Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani ; NASA/ESA.

« Les kilonovae sont un phénomène relativement nouveau et inexploré pour nous ; à ce jour, nous n’en avons détecté que quelques-uns », explique Daniele Bjørn Malesani. « Parce que nous ne nous attendions pas à ce qu’ils soient associés à de longues rafales, nous ne les avons pas recherchés là-bas. Mais maintenant, nous savons que la nature est plus ingénieuse que nous ne le pensions auparavant.

D’après une étude précédente en 2006, les trois astronomes avaient un indice que les étoiles à neutrons en collision pourraient être capables de maintenir leurs moteurs actifs pendant plus de quelques secondes. Mais sans détection de kilonova, les preuves avaient été confuses. Une théorie est que les étoiles à neutrons effondrées peuvent tourner si vite - à une fraction significative de la vitesse de la lumière - que les forces centrifuges peuvent soutenir l’objet fusionné pendant un petit moment et retarder son sombre destin.

Les futures observations de plus longues rafales de kilonovae nous en apprendront davantage sur ce phénomène passionnant. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue scientifique Nature.

((Traduction totalement bénévole sans retombées économiques pour ce site))

Voir en ligne : Astronomers discover enigmatic cosmic explosion

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