L'explosion cosmique la plus brillante jamais détectée avait d'autres caractéristiques uniques

Oct 10, 2023

Un jet de particules perce une étoile alors qu'elle s'effondre dans un trou noir lors d'un sursaut gamma typique, comme le montre le concept de cet artiste. Le jet créé par le sursaut gamma 221009A avait des caractéristiques uniques.

Les observations du télescope à rayons X NuSTAR de la NASA donnent aux astronomes de nouveaux indices sur le sursaut gamma le plus brillant et le plus énergétique jamais détecté.

Lorsque les scientifiques ont détecté le sursaut gamma connu sous le nom de GRB 221009A le 9 octobre 2022, ils l'ont surnommé le plus brillant de tous les temps, ou BOAT. La plupart des sursauts gamma se produisent lorsque le noyau d'une étoile plus massive que notre Soleil s'effondre, devenant un trou noir. Ces événements libèrent régulièrement autant d'énergie en quelques minutes que notre Soleil en libérera durant toute sa vie. Des études de suivi ont montré que le GRB 221009A était 70 fois plus brillant et beaucoup plus énergique que le précédent détenteur du record. Bien que les scientifiques ne comprennent pas encore pourquoi, ils ont reçu un indice alléchant de l'observatoire NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA.

Dans une étude publiée le 7 juin dans la revue Science Advances, les scientifiques ont utilisé les observations NuSTAR de l'événement pour montrer comment l'étoile qui s'effondre a éjecté un jet de matière qui avait une forme jamais observée auparavant parmi les jets de rayons gamma, ainsi que d'autres caractéristiques uniques. Il est possible que la source de ces distinctions soit l'étoile progénitrice, dont les propriétés physiques pourraient influencer les caractéristiques du sursaut. Il est également possible qu'un mécanisme entièrement différent lance les jets les plus brillants dans l'espace.

Le type d'explosion le plus énergétique de l'univers, un sursaut gamma, peut être repéré à des milliards d'années-lumière. GRB 221009A était si lumineux qu'il a effectivement aveuglé la plupart des instruments à rayons gamma dans l'espace lorsqu'il a été détecté le 9 octobre 2022.

"Cet événement était tellement plus brillant et plus énergétique que n'importe quel sursaut gamma que nous avons vu auparavant, ce n'est même pas proche", a déclaré Brendan O'Connor, auteur principal de la nouvelle étude et astronome à l'Université George Washington à Washington. "Ensuite, lorsque nous avons analysé les données NuSTAR, nous avons réalisé qu'il avait également cette structure de jet unique. Et c'était vraiment excitant, car nous n'avons aucun moyen d'étudier l'étoile qui a produit cet événement; elle est partie maintenant. Mais nous avons maintenant des données nous donnant des indices sur la façon dont elle a explosé. "

Le télescope spatial Hubble a capturé la rémanence infrarouge (cerclée) du sursaut gamma connu sous le nom de GRB 221009A et de sa galaxie hôte. Ce composite incorpore des images prises le 8 novembre et le 4 décembre 2022, environ un et deux mois après l'éruption. La rémanence peut rester détectable pendant plusieurs années.

Les rayons gamma sont la forme de lumière la plus énergétique de l'univers encore invisible à l'œil humain. Tous les sursauts gamma connus proviennent de galaxies extérieures à notre Voie lactée, mais sont suffisamment brillants pour être repérés à des milliards d'années-lumière. Certains clignotent et durent moins de deux secondes, tandis que les sursauts gamma dits longs émettent généralement des rayons gamma pendant une minute ou plus. Ces objets peuvent émettre d'autres longueurs d'onde pendant des semaines.

GRB 221009A, un long sursaut gamma, était si brillant qu'il a effectivement aveuglé la plupart des instruments à rayons gamma dans l'espace. Les scientifiques américains ont pu reconstituer cet événement avec les données du télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA pour déterminer sa luminosité réelle. (Le BOAT a également été détecté par les télescopes spatiaux Hubble et James Webb de la NASA, les engins spatiaux Wind et Voyager 1 de l'agence, ainsi que l'ESA, ou l'Agence spatiale européenne, Solar Orbiter.)

Semblable à d'autres sursauts de rayons gamma, GRB 221009A avait un jet qui a éclaté de l'étoile qui s'effondre comme s'il avait été tiré dans l'espace à partir d'un tuyau d'incendie, avec des rayons gamma rayonnant du gaz chaud et des particules au cœur du jet. Mais le jet de GRB 221009A s'est démarqué à plusieurs égards. Dans presque tous les sursauts gamma observés précédemment, le jet est resté remarquablement compact et il y avait peu ou pas de lumière parasite ou de matière en dehors du faisceau étroit. (En fait, les sursauts gamma sont si compacts que les rayons gamma ne peuvent être observés que lorsque leurs jets sont dirigés presque directement vers la Terre.)

En revanche, dans GRB 221009A, le jet avait un noyau étroit avec des côtés plus larges et inclinés. Certains des jets de rayons gamma les plus énergétiques ont montré des propriétés similaires, mais le jet du BOAT était unique d'une manière importante : l'énergie du matériau du GRB 221009A variait également, ce qui signifie qu'au lieu que tout le matériau du jet ait la même énergie - comme une seule balle tirée par un pistolet - l'énergie du matériau change avec la distance par rapport au noyau du jet. Cela n'a jamais été observé auparavant dans un long jet de rayons gamma.

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"La seule façon de produire une structure de jet différente et de faire varier l'énergie est de faire varier certaines propriétés de l'étoile qui a explosé, comme sa taille, sa masse, sa densité ou son champ magnétique", a déclaré Eleonora Troja, professeur de physique à l'Université de Rome, qui a dirigé NuSTAR les observations de l'événement. "C'est parce que le jet doit essentiellement se frayer un chemin hors de l'étoile. Ainsi, par exemple, la quantité de résistance qu'il rencontre pourrait potentiellement influencer les caractéristiques du jet."

Les astronomes peuvent voir la lumière des jets de rayons gamma, mais la distance signifie qu'ils ne peuvent pas résoudre directement les images des jets. Les chercheurs doivent interpréter la lumière de ces événements pour en savoir plus sur les caractéristiques physiques d'objets lointains. C'est un peu comme regarder des empreintes de pas dans la neige et en déduire quelque chose sur les traits physiques de la personne qui les a laissés.

Dans de nombreux cas, il peut y avoir plus d'une explication possible pour la lumière d'un événement cosmique. Plus d'un télescope à rayons X a observé GRB 221009A, y compris l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA et l'explorateur de composition intérieure d'étoiles à neutrons (NICER), ainsi que le télescope XMM-Newton de l'ESA. Les données NuSTAR ont aidé à réduire ces possibilités. Il montre que lorsque le jet a voyagé dans l'espace, il est entré en collision avec le milieu interstellaire, ou la mer clairsemée d'atomes et de particules qui remplit l'espace entre les étoiles. Cette collision a créé des rayons X, des particules de lumière légèrement moins énergétiques que les rayons gamma.

"Il existe plusieurs télescopes à rayons X opérant dans l'espace, chacun avec des forces différentes qui peuvent aider les astronomes à mieux comprendre ces objets cosmiques", a déclaré Daniel Stern, scientifique du projet NuSTAR au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud.

Mission Small Explorer dirigée par Caltech et gérée par JPL pour la Direction des missions scientifiques de la NASA à Washington, NuSTAR a été développée en partenariat avec l'Université technique danoise et l'Agence spatiale italienne (ASI). Le vaisseau spatial a été construit par Orbital Sciences Corp. à Dulles, en Virginie. Le centre des opérations de mission de NuSTAR se trouve à l'Université de Californie à Berkeley, et les archives de données officielles se trouvent au Centre de recherche sur les archives scientifiques d'astrophysique à haute énergie de la NASA au Goddard Space Flight Center de l'agence à Greenbelt, Maryland. ASI fournit la station au sol de la mission et une archive de données miroir. Caltech gère le JPL pour la NASA.

Pour plus d'informations sur la mission NuSTAR, visitez:

https://www.nustar.caltech.edu/

Calla Cofield

Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Californie.

626-808-2469

[email protected]

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