Des télescopes à haute énergie dissèquent la rémanence d’un sursaut gamma

Les sursauts gamma longs (GRB) sont émis par des jets relativistes générés lors de l'effondrement d'une étoile massive dans une galaxie lointaine. Le GRB lui-même ne dure que quelques secondes mais est suivi d'une rémanence qui peut persister pendant des heures ou des jours. La H.E.S.S. La collaboration a observé la rémanence de GRB 190829A, un long GRB proche. La proximité de cette rafale a permis de la détecter à des énergies téra-électron-volt qui seraient autrement absorbées dans le milieu intergalactique. En analysant le spectre et la courbe de lumière aux longueurs d'onde des rayons X et des rayons gamma, les auteurs montrent que la rémanence ne peut pas être expliquée par des modèles standards.

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Des astronomes ont mesuré des rayons gamma à très haute énergie provenant des conséquences d’un sursaut gamma – une explosion extrêmement énergétique d’une étoile. Les chercheurs ont utilisé le système stéréoscopique à haute énergie H.E.S.S (High Energy Stereoscopic System, un ensemble de cinq télescopes à rayons gamma situés en Namibie)  pour observer la rémanence du sursaut gamma GRB 190829A pendant trois nuits consécutives. Les résultats mettent en lumière ces événements cosmiques extrêmement puissants mais peu compris, et remettent en question les modèles standard de la façon dont les sursauts gamma émettent de la lumière pendant leurs phases de rémanence.

Les sursauts gamma

Les sursauts gamma (GRB), qui sont des éclairs lumineux de rayons gamma provenant de sources extragalactiques suivis d’une émission de post-luminescence qui s’estompe, sont associés à des événements d’effondrement du cœur stellaire.  En effet, alors qu’une étoile massive mourante entre dans son agonie finale, son noyau commence à s’effondrer, puis explose en supernova. Certains types de supernovæ génèrent des jets de particules se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière ; si le jet est dirigé directement vers la Terre, il peut être observé comme une rafale de rayons gamma qui dure plusieurs secondes. Ces sursauts gamma sont parfois suivis d’une rémanence plus faible qui dure des heures ou des jours, créée lorsque le jet de particules heurte le gaz environnant.

Les sursauts gamma sont des flashs lumineux de rayons X et gamma observés dans le ciel, émis par des sources extragalactiques lointaines“, explique Edna Ruiz Velasco du MPIK à Heidelberg en Allemagne, l’un des auteurs correspondants de l’article. “Ce sont les explosions les plus violentes de l’Univers et celles qui durent plus de quelques secondes sont vraisemblablement associées à l’effondrement d’une étoile massive en un trou noir”.  Les émissions des sursauts se divisent en deux phases distinctes : une phase initiale et chaotique qui dure quelques dizaines de secondes, suivie d’une phase de rémanence de longue durée qui s’estompe doucement.

Une observation exceptionnelle

Le 29 août 2019, les satellites Fermi et Swift ont détecté un sursaut gamma, dans la constellation d’Eridanus. Les auteurs ont détecté une émission à des énergies de plusieurs téra-électronvolts de 4,3 heures à 55,9 heures après le début du sursaut gamma et ont déterminé le spectre intrinsèque à haute énergie. Ces émissions avaient des propriétés spectrales et des profils de décroissance similaires à l’émission de rayons X provenant de GRB 190829A. L’événement, catalogué comme GRB 190829A, selon sa date d’apparition, s’est avéré être l’un des sursauts gamma les plus proches observés jusqu’à présent, avec une distance d’environ un milliard d’années-lumière. À titre de comparaison, les sursauts typiques se situent à environ 20 milliards d’années-lumière.

La distance relativement petite de ce sursaut gamma a permis de mesurer en détail le spectre de la rémanence, c’est-à-dire la distribution des énergies des photons du rayonnement. Le spectre du GRB 190829A a ainsi pu être déterminé jusqu’à une énergie de 3,3 téra-électronvolts, soit environ un trillion de fois l’énergie des photons de la lumière visible. Il s’agit de l’énergie la plus élevée d’un sursaut gamma enregistrée à ce jour.  Comme le GRB 190829A s’est produit dans notre arrière-cour cosmique, ses photons à très haute énergie n’ont pas été absorbés par des collisions avec la lumière de fond sur leur chemin vers la Terre, comme cela se produit sur de plus grandes distances. L’équipe a capté la rémanence de l’explosion dès qu’elle est devenue visible pour les télescopes H.E.S.S  en Namibie. “Le signal était suffisamment fort pour être détecté immédiatement ! Cela nous a permis d’informer rapidement la communauté mondiale”,  explique Fabian Schüssler du CEA-Irfu et coordinateur de l’équipe en charge de l’analyse de ce sursaut gamma.

Une observation qui remet en question la théorie des sursauts gamma dans l’Univers

“H.E.S.S. a pu suivre la rémanence jusqu’à trois jours après l’explosion initiale”, révèle Fabian Schüssler. Le résultat a été surprenant : les observations ont révélé de curieuses similitudes entre les émissions de rayons X et de rayons gamma de très haute énergie de la rémanence de l’explosion. Les chercheurs soutiennent que ce comportement spectral ne correspond pas aux modèles d’émission actuels pour les rémanences de sursaut gamma, mais spéculent qu’un jet plus rapide ou différentes distributions d’énergie des particules émises pourraient expliquer l’écart. En effet, contrairement aux théories établies qui supposent que les deux composantes de l’émission doivent être produites par des mécanismes distincts, les observations de la rémanence du GRB 190829A montrent que les rayons X et rayons gamma ont diminué de manière synchronisée. De plus, le spectre en énergie des rayons gamma correspond clairement à une extrapolation du spectre des rayons X. Ces résultats indiquent que les rayons X et les rayons gamma de très haute énergie de cette rémanence ont été produits par le même mécanisme et en même temps.

La portée de cette possibilité souligne la nécessité de poursuivre les études sur l’émission de rémanence des sursauts gamma à très haute énergie“, note Mathieu de Naurois, directeur adjoint de l’observatoire H.E.S.S. et chercheur au LLR, France.  GRB 190829A est seulement le quatrième sursaut gamma détecté depuis le sol. Cependant, les explosions détectées précédemment se sont produites beaucoup plus loin dans le Cosmos et leur rémanence n’a pu être observée que pendant quelques heures chacune et pas à des énergies supérieures à 1 téra-électronvolt. Les perspectives de détection des sursauts gamma par les instruments de prochaine génération semblent prometteuses : les scientifiques s’attendent à ce que des détections régulières dans la bande de très haute énergie deviennent courantes avec des instruments améliorés, ce qui aidera à comprendre pleinement ces explosions cosmiques gargantuesques.

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