Les supernovae comptent parmi les événements les plus énergétiques de l’Univers. Et un sous-ensemble de ceux-ci implique des sursauts gamma, où une grande partie de l’énergie libérée provient de photons à très haute énergie. Nous pensons savoir pourquoi cela se produit en termes généraux – le trou noir laissé après l’explosion expulse des jets de matière à une vitesse proche de celle de la lumière. Mais les détails de comment et où ces jets produisent des photons ne sont pas du tout près d’être entièrement élaborés.
Malheureusement, ces événements se produisent très rapidement et très loin, il n’est donc pas facile d’en obtenir des observations détaillées. Cependant, un récent sursaut gamma appelé BOAT (le plus brillant de tous les temps) pourrait nous fournir de nouvelles informations sur les événements quelques jours après l’explosion d’une supernova. Un nouvel article décrit les données d’un télescope qui se trouvait à la fois pointé dans la bonne direction et sensible au rayonnement extrêmement énergétique produit par l’événement.
J’ai besoin d’une douche
Le « télescope » mentionné est le Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). Situé à près de trois miles (4 400 mètres) au-dessus du niveau de la mer, l’observatoire est un complexe d’instruments qui ne sont pas un télescope au sens traditionnel. Au lieu de cela, ils sont censés capturer les gerbes d’air – la cascade complexe de débris et de photons qui sont produits lorsque des particules à haute énergie provenant de l’espace s’écrasent dans l’atmosphère.
Bien qu’ils soient limités par rapport aux télescopes traditionnels, les détecteurs de gerbes d’air présentent certains avantages concernant des événements comme le BOAT. Ils ont un champ de vision très large puisqu’ils n’ont pas vraiment besoin de se concentrer sur un événement autant qu’ils ont besoin de le reconstruire à partir des photons et des particules qui atteignent la surface de la Terre. Et ils ne sont sensibles qu’aux événements à haute énergie, ce qui signifie que la lumière du jour est trop faible pour interférer, ils peuvent donc fonctionner 24 heures sur 24.
Étant donné que LHAASO prenait des données lorsque la supernova BOAT a éclaté, ses détecteurs ont non seulement capturé le début de l’événement, mais ont également pu suivre son évolution pendant des jours. Alors qu’il y avait une mauvaise résolution spatiale, il y avait une énorme quantité de données, toutes séparées par longueur d’onde. Les 100 premières minutes ont vu plus de 64 000 photons détectés à des énergies supérieures à 200 giga-électron-volts. Pour le contexte, la conversion de la masse entière d’un proton en énergie produirait un peu moins d’un GeV.
L’une des premières choses qui était évidente est qu’il y avait une grande différence entre les photons aux énergies inférieures (mais toujours très élevées !) et ceux aux extrémités les plus extrêmes du spectre électromagnétique. Les données des photons qui étaient au-dessus d’un téra-électron-volt ont changé en douceur au fil du temps, tandis que celles de la gamme des méga-électron-volts ont fluctué de haut en bas.
Donner du sens aux données
Ces données, suggèrent les chercheurs, sont cohérentes avec la suggestion selon laquelle les événements à plus faible énergie sont causés par les jets interagissant avec les débris turbulents de la supernova. Étant donné que ces débris vont être à la fois complexes et proches de la source des jets, cela limitera la quantité d’espace que les particules dans les jets doivent accumuler de la vitesse, et donc plafonnera leur énergie.
Les photons de plus haute énergie, en revanche, sont produits dans des zones où les jets ont éliminé les débris de supernova et commencent à interagir avec le matériau qui a formé l’environnement autour de l’étoile, probablement des particules projetées par l’équivalent stellaire du vent solaire. C’est un environnement plus clairsemé et cohérent, permettant aux jets un chemin moins turbulent pour accélérer les particules aux énergies extrêmes nécessaires pour produire des photons avec des énergies supérieures à un TeV.
Bien que dépasser les débris d’une supernova semble difficile, le processus se déroule extrêmement rapidement puisque les jets accélèrent les particules à une vitesse proche de celle de la lumière. Ainsi, il ne faut que 5 secondes environ pour voir une augmentation rapide des photons TeV dans les données.
De là, il y a une pente plus douce qui dure environ 13 secondes. L’équipe de recherche derrière le travail suggère que cela implique que les jets interagissent avec et accélèrent les particules dans l’environnement à l’extérieur des restes de l’étoile. Cela augmente le nombre de photons à haute énergie, mais absorbe simultanément une partie de l’énergie des jets alors qu’ils poussent contre un tas de matériaux de plus en plus gros à mesure qu’ils pénètrent plus loin dans l’environnement.
Finalement, cet empilement de matériaux absorbe suffisamment d’énergie pour que le nombre de photons à haute énergie commence à diminuer progressivement. Cette chute est suffisamment lente pour durer environ 11 minutes.
Dans le cas de la supernova BOAT, cela a été suivi d’une chute brutale des photons de haute énergie. On pense que cela résulte de l’élargissement des jets à mesure qu’ils s’éloignent de leur source et implique que le BATEAU était aussi brillant que nous l’avons observé parce que le noyau central de son jet était dirigé directement vers la Terre. Le moment de ce débarquement fournit également des informations sur la largeur du jet à ce moment-là.
Il reste encore beaucoup à apprendre sur ces événements – nous ne savons toujours pas comment les trous noirs lancent des jets de matière en premier lieu, par exemple. Mais ces types d’observations détaillées peuvent nous donner une meilleure idée du moment et de la dynamique de la formation des jets, ce qui aidera finalement à informer les modèles de ce qui se passe pendant la formation des trous noirs et la production des jets.
Science, 2023. DOI : 10.1126/science.adg9328 (À propos des DOI).