Fermi de la NASA a détecté une étrange impulsion de rayonnement à haute énergie se dirigeant vers la Terre

Lorsque le noyau d’une étoile massive s’effondre, il peut former un trou noir. Une partie de la matière environnante s’échappe sous forme de jets puissants se précipitant vers l’extérieur à presque la vitesse de la lumière dans des directions opposées, comme illustré ici. Les jets d’étoiles qui s’effondrent produisent généralement des rayons gamma pendant plusieurs secondes à quelques minutes. Les astronomes pensent que les jets du GRB 200826A se sont rapidement arrêtés, provoquant le sursaut gamma le plus court (violet) jamais vu par une étoile en train de s’effondrer. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA / Chris Smith (KBRwyle)

Le 26 août 2020, le télescope spatial Fermi Gamma Ray de la NASA a détecté une impulsion de rayonnement à haute énergie qui a couru vers la Terre pendant près de la moitié de la durée de vie de l’univers actuel. D’une durée d’environ une seconde seulement, il s’est avéré être l’un des livres 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, et ils peuvent être détectés à travers des milliards d’années-lumière. Les astronomes le classent comme long ou court selon que l’événement durera plus de deux secondes ou moins. Ils ont observé de longues explosions associées à la disparition d’étoiles massives, tandis que de courtes ont été liées à un scénario différent.

Les astronomes ont collecté des données du télescope spatial Fermi Gamma Ray de la NASA, d’autres missions spatiales et d’observatoires au sol pour révéler l’origine de GRB 200826A, une rafale de rayonnement courte mais puissante. C’est l’explosion la plus courte connue pour être alimentée par une étoile en train de s’effondrer – et cela ne s’est presque jamais produit. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA

« 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 mécaniques », a déclaré Bin-bin Zhang de l’Université de Nanjing en Chine et de 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 caractéristiques indiquent son origine à partir d’une étoile en train de s’effondrer. Nous savons maintenant que les étoiles mourantes peuvent également produire de courts sursauts. »

L’éruption a été nommée GRB 200826A, d’après sa date d’occurrence, et fait l’objet de deux articles publiés dans Nature Astronomy le lundi 26 juillet. Le premier, dirigé par Zhang, explore les données de rayons gamma. La seconde, dirigée par Thomas Ahomada, doctorant à l’Université du Maryland, College Park et au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, décrit la décoloration des multiples longueurs d’onde des aurores GRB et la lumière émergente de la supernova qui s’ensuit. explosion.

« Nous pensons que cet événement était effectivement un échec, un événement qui était sur le point de se produire », a déclaré Ahumada. « Cependant, l’explosion a libéré 14 millions de fois plus d’énergie que l’ensemble de la Voie lactée au cours de la même période, ce qui en fait l’un des GRB à courte portée les plus actifs de tous les temps. »

Lorsqu’une étoile beaucoup plus grosse que le Soleil manque de carburant, son noyau s’effondre soudainement et forme un trou noir. Au fur et à mesure que la matière tourne vers le trou noir, une partie s’en échappe sous la forme de deux jets puissants se précipitant 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 traverse l’étoile, produisant une impulsion de rayons gamma – la forme de lumière la plus énergétique – qui peut durer jusqu’à quelques minutes. Après l’explosion, l’étoile brisée se développe rapidement en une supernova.

D’autre part, les GRB courts se forment lorsque des paires d’objets compacts – comme les étoiles à neutrons, qui se forment également lors de l’effondrement stellaire – entrent en collision vers l’intérieur sur des milliards d’années. Récemment, des observations de Fermi ont permis de montrer que, dans les galaxies voisines, les éruptions géantes d’étoiles à neutrons isolées et d’étoiles supermagnétiques se font également passer pour de courts sursauts gamma.

GRB 200826A était une explosion brutale d’émissions à haute énergie qui n’a duré que 0,65 seconde. Après avoir voyagé pendant plusieurs éons à travers l’univers en expansion, le signal s’est étiré sur environ une seconde lorsqu’il a été détecté par l’instrument Fermi observant le sursaut gamma. L’événement a également été présenté dans les instruments à bord de la mission Wind de la NASA, qui orbite un point entre la Terre et le soleil à environ 930 000 miles (1,5 million de kilomètres), et Mars Odyssey, qui orbite autour de la planète rouge depuis 2001. ESA (European Space Continuity ) Le satellite INTEGRAL de l’agence a également explosé.

Toutes ces missions participent à un système de positionnement GRB appelé International Planetary Network (IPN), pour lequel le projet Fermi fournit l’intégralité du financement américain. Étant donné que les éclaboussures atteignent chaque détecteur à des moments légèrement différents, n’importe quelle paire d’entre eux peut être utilisée pour aider à affiner l’endroit où elle se produit dans le ciel. Environ 17 heures après le GRB, l’IPN a réduit sa position à une portion de ciel relativement petite dans la constellation d’Andromède.

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

GRB 200826A image d’aurore décolorée (au centre) détectée. Crédit : ZTF et T. Ahumada et al. , 2021

« Faire cette recherche, c’est comme 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 Twilight. « Sur les plus de 28 000 alertes ZTF de 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 Gehrells Swift de la NASA a détecté une émission de rayons X en déclin au même endroit. Deux jours plus tard, une émission radio variable a été détectée par le Karl Jansky Very Large Array du National Astronomy Radio Observatory au Nouveau-Mexique. L’équipe a ensuite commencé à observer l’aurore avec une variété d’installations au sol.

En observant la faible galaxie associée à l’explosion 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. Cela représente 48% de l’âge actuel de l’univers de 13,8 milliards d’années.

Mais pour prouver que ce court sursaut provenait de l’effondrement d’une étoile, les chercheurs devaient également capturer la supernova émergente.

« Si l’explosion a été causée par l’effondrement d’une étoile, une fois que l’aurore suivante s’est estompée, elle devrait s’allumer à nouveau en raison de l’explosion de la supernova primaire », a déclaré Leo Singer, astrophysicien chez Goddard et conseiller de la recherche Ahumada. « Mais à ces distances, vous avez besoin d’un très grand télescope très sensible pour capturer le point lumineux de la supernova à partir de l’éblouissement de fond de la galaxie hôte. »

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

Les chercheurs pensent que cette explosion a été provoquée par des jets qui ont à peine quitté l’étoile avant de se fermer, plutôt que le cas plus courant où des jets de longue durée jaillissent de l’étoile et parcourent de longues distances. Si le trou noir a émis des jets plus faibles, ou si l’étoile était beaucoup plus grosse lorsqu’elle a commencé à s’effondrer, il se peut qu’il n’y ait pas eu de GRB du tout.

Cette découverte aide à résoudre un mystère de longue date. Alors que les GRB longs doivent être associés aux supernovae, les astronomes découvrent un nombre beaucoup plus important de supernovae que de longues. Cet écart persiste même après avoir tenu compte du fait que les GRB doivent se rapprocher de notre ligne de mire pour que les astronomes puissent les détecter.

Les chercheurs concluent que les étoiles qui s’effondrent qui produisent des GRB courts doivent être des états de frange oscillant à la vitesse de la lumière 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 de la rafale à elle seule n’indique pas uniquement sa source.

Les références:

« Un étrange sursaut gamma de courte durée résultant de l’effondrement du noyau d’une étoile massive » par B.-B. Chang, Z.-K. Liu, Z.-K. Bing, Y. Lee, H.-C. Lu, J.; Yang, Y.-S. Yang, Y.-H. Yang, Y.-Z. Meng, ch. Zou, H.-Y. Oui, X.-G. Wang, J.-R. Mao, X.-H. Chow, ch. Bay, A. G. ; Castro ; Tirado, Y.-D. Lui, Z.-G. Jour, E.; Liang et B. Zhang, 26 juillet 2021, disponible ici. astronomie naturelle.
DOI : 10.1038 / s41550-021-01395-z

« Découverte et confirmation de la plus courte rafale de rayons gamma de l’effondrement » par Thomas Ahomada, Leo B. Chanteur, Shreya Anand, Michael W. Coughlin, Mansi M. , Harsh Kumar, Peter TH Pang, Eric Burns, Virginia Cunningham, Simone Dichiara, Tim Dietrich, Dimitri S. Svenkin, Moza Mwala, Alberto J. Astro-Tirado, Keshalai D., Rachel Dunwoody, Pradeep Jatkin, Erica Hammerstein, Shabnam Iani, Joseph Mangan, Dan Burley, Sonalika Burkayasta, Eric Belm, Varun Bhalerau, Bryce Bolin, Mattia Paula, Christopher Canella, Poonam Chandra, Dmitri A. Dove, Dmitri Fredericks, Avishai Gal Yam, Matthew Graham, Anna Y Qiu Ho, Kevin Hurley, Viraj Karampilkar, Eric C. Cole, SR Kulkarni, Ashish Mahabal, Frank Massey, Sheila McBrain, Shashi B Pandey, Simeon Riosch, Anna Rednaya, Philip Rosnett, Benjamin Rusholme, Anna Sagues Carracedo, Roger Smith, Mayan Somaniak, Robert Stein, Eleonora Troga, Anastasia Tsvetkova, Richard Walters A Azmeh Valev, 26 juillet 2021, astronomie naturelle.
DOI : 10.1038 / s41550-021-01428-7

Le télescope spatial Fermi Gamma Ray est un partenariat en astrophysique et en physique des particules exploité 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.