Le nouveau kilonova amène les astronomes à repenser ce que nous savons sur les sursauts gamma

Il y a un an, des astronomes ont découvert un puissant sursaut gamma (GRB) d’une durée de près de deux minutes, baptisé GRB 211211A. Maintenant, cet événement inhabituel bouleverse l’hypothèse de longue date selon laquelle les GRB plus longs sont la signature distinctive d’une étoile massive en supernova. Au lieu de cela, deux équipes indépendantes de scientifiques ont identifié la source comme une soi-disant « kilonova », déclenchée par la fusion de deux étoiles à neutrons, selon un nouvel article publié dans la revue Nature. Parce que les fusions d’étoiles à neutrons étaient supposées ne produire que des GRB courts, la découverte d’un événement hybride impliquant une kilonova avec un GRB long est assez surprenante.

« Cette détection brise notre idée standard des sursauts gamma », a déclaré la co-auteur Eve Chase, post-doctorante au Los Alamos National Laboratory. «Nous ne pouvons plus supposer que toutes les sursauts de courte durée proviennent de fusions d’étoiles à neutrons, tandis que les sursauts de longue durée proviennent de supernovae. Nous réalisons maintenant que les sursauts gamma sont beaucoup plus difficiles à classer. Cette détection pousse notre compréhension des sursauts gamma à ses limites. »

Comme nous l’avons signalé précédemment, les sursauts gamma sont des explosions à très haute énergie dans des galaxies lointaines qui durent entre quelques millisecondes et plusieurs heures. Les premiers sursauts gamma ont été observés à la fin des années 1960, grâce au lancement des satellites Vela par les États-Unis. Ils étaient censés détecter les signatures de rayons gamma révélatrices des essais d’armes nucléaires à la suite du traité d’interdiction des essais nucléaires de 1963 avec l’Union soviétique. Les États-Unis craignaient que les Soviétiques ne mènent des essais nucléaires secrets, violant le traité. En juillet 1967, deux de ces satellites ont capté un flash de rayonnement gamma qui n’était clairement pas la signature d’un essai d’armes nucléaires.

Il y a quelques mois à peine, plusieurs détecteurs spatiaux ont détecté une puissante rafale de rayons gamma traversant notre système solaire, envoyant des astronomes du monde entier se démener pour entraîner leurs télescopes sur cette partie du ciel afin de collecter des données vitales sur l’événement et sa rémanence. . Surnommé GRB 221009A, il s’agissait du sursaut de rayons gamma le plus puissant jamais enregistré et pourrait probablement être le « cri de naissance » d’un nouveau trou noir.

Il existe deux types de sursauts gamma : courts et longs. Les GRB classiques à court terme durent moins de deux secondes, et on pensait auparavant qu’ils ne se produisaient que de la fusion de deux objets ultra-denses, comme des étoiles à neutrons binaires, produisant une kilonova d’accompagnement. Les GRB longs peuvent durer de quelques minutes à plusieurs heures et on pense qu’ils se produisent lorsqu’une étoile massive devient supernova.

Les astronomes des télescopes Fermi et Swift ont détecté simultanément ce dernier sursaut gamma en décembre dernier et en ont localisé l’emplacement dans la constellation de Boötes. Cette identification rapide a permis à d’autres télescopes du monde entier de porter leur attention sur ce secteur, leur permettant d’attraper la kilonova à ses débuts. Et il était remarquablement proche pour un sursaut gamma : environ 1 milliard d’années-lumière de la Terre, contre environ 6 milliards d’années pour le sursaut gamma moyen détecté à ce jour. (La lumière du GRB le plus éloigné jamais enregistré a parcouru environ 13 milliards d’années.)

« C’était quelque chose que nous n’avions jamais vu auparavant », a déclaré la co-auteure Simone Dichiara, astronome à la Penn State University et membre de l’équipe Swift. « Nous savions que ce n’était pas associé à une supernova, la mort d’une étoile massive, car c’était trop proche. C’était un type de signal optique complètement différent, celui que nous associons à une kilonova, l’explosion déclenchée par la collision d’étoiles à neutrons.

Alors que deux étoiles à neutrons binaires commencent à tourner dans leur spirale de mort, elles envoient de puissantes ondes gravitationnelles et séparent la matière riche en neutrons l’une de l’autre. Ensuite, les étoiles entrent en collision et fusionnent, produisant un nuage chaud de débris qui brille d’une lumière de plusieurs longueurs d’onde. Ce sont les débris riches en neutrons qui, selon les astronomes, créent la lumière visible et infrarouge d’une kilonova – la lueur est plus brillante dans l’infrarouge que dans le spectre visible, une signature distinctive d’un tel événement qui résulte d’éléments lourds dans l’éjecta qui bloquent la lumière visible mais laisse passer l’infrarouge.

Cette signature est ce que l’analyse ultérieure de GRB211211A a révélé. Et puisque la désintégration ultérieure d’une fusion d’étoiles à neutrons produit des éléments lourds comme l’or et le platine, les astronomes disposent désormais d’un nouveau moyen d’étudier la formation de ces éléments lourds dans notre Univers.

Il y a plusieurs années, le regretté astrophysicien Neil Gehrels a suggéré que des sursauts gamma plus longs pourraient être produits par des fusions d’étoiles à neutrons. Il semble tout à fait approprié que l’observatoire Swift de la NASA, nommé en son honneur, ait joué un rôle clé dans la découverte de GRB 211211A et la première preuve directe de cette connexion.

« Cette découverte est un rappel clair que l’Univers n’est jamais entièrement compris », a déclaré la co-auteure Jillian Rastinejad, doctorante à la Northwestern University. « Les astronomes tiennent souvent pour acquis que les origines des GRB peuvent être identifiées par leur longueur, mais cette découverte nous montre qu’il reste encore beaucoup à comprendre sur ces événements étonnants. »

DOI : Nature, 2022. 10.1038/s41550-022-01819-4 (À propos des DOI).