Une supernova a provoqué le sursaut gamma BOAT, confirment les données du JWST

En octobre 2022, plusieurs détecteurs spatiaux ont capté un puissant sursaut gamma si énergique que les astronomes l’ont surnommé le BOAT (Brightest Of All Time). Ils ont maintenant confirmé que le GRB provenait d’une supernova, selon un nouvel article publié dans la revue Nature Astronomy. Cependant, ils n’ont pas trouvé de preuves de la présence d’éléments lourds comme le platine et l’or que l’on pourrait attendre d’une explosion de supernova, ce qui soulève la question de longue date de l’origine de ces éléments dans l’univers.

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. Il existe deux classes de sursauts gamma. La plupart (70 %) sont de longues rafales qui durent plus de deux secondes, souvent avec une brillante rémanence. Celles-ci sont généralement liées à des galaxies à formation d’étoiles rapide. Les astronomes pensent que les longues sursauts sont liés à la mort d’étoiles massives qui s’effondrent pour former une étoile à neutrons ou un trou noir (ou, alternativement, un magnétar nouvellement formé). Le bébé trou noir produirait des jets de particules hautement énergétiques se déplaçant à une vitesse proche de la lumière, suffisamment puissantes pour percer les restes de l’étoile progénitrice, émettant des rayons X et des rayons gamma.

Ces sursauts gamma d’une durée inférieure à deux secondes (environ 30 %) sont considérés comme des sursauts courts, généralement émis depuis des régions où la formation d’étoiles est très faible. Les astronomes pensent que ces sursauts gamma sont le résultat de la fusion de deux étoiles à neutrons, ou d’une étoile à neutrons fusionnant avec un trou noir, constituant une « kilonova ». Cette hypothèse a été confirmée en 2017 lorsque la collaboration LIGO a capté le signal d’onde gravitationnelle de la fusion de deux étoiles à neutrons, accompagné des puissants sursauts gamma associés à une kilonova.

Le sursaut gamma d’octobre 2022 entre dans la catégorie des sursauts longs, durant plus de 300 secondes. GRB 221009A a déclenché des détecteurs à bord du télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA, de l’observatoire Neil Gehrels Swift et du vaisseau spatial Wind, entre autres, au moment même où les astronomes gamma se réunissaient pour une réunion annuelle à Johannesburg, en Afrique du Sud. Le signal puissant provenait de la constellation de la Sagitte, qui a parcouru environ 1,9 milliard d’années jusqu’à la Terre.

Plusieurs articles ont été publiés l’année dernière sur les résultats analytiques de toutes les données d’observation. Ces découvertes ont confirmé que GRB 221009A était bien le BATEAU, apparaissant particulièrement brillant car son jet étroit pointait directement vers la Terre. Mais les différentes analyses ont également donné plusieurs résultats surprenants qui ont intrigué les astronomes. Plus particulièrement, une supernova aurait dû se produire quelques semaines après l’éclatement initial, mais les astronomes n’en ont pas détecté, peut-être parce qu’elle était très faible et que d’épais nuages ​​de poussière dans cette partie du ciel atténuaient toute lumière entrante.

C’est pourquoi Peter Blanchard de l’Université Northwestern et ses collègues co-auteurs ont décidé d’attendre six mois avant d’entreprendre leur propre analyse, en s’appuyant sur les données collectées au cours de la phase ultérieure du GRB par le spectrographe proche infrarouge du télescope spatial Webb. Ils ont complété ces données spectrales avec des observations d’ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) au Chili afin de pouvoir séparer la lumière de la supernova et de la rémanence du GRB. La découverte la plus significative concerne les signatures révélatrices d’éléments clés comme le calcium et l’oxygène que l’on s’attendrait à trouver dans une supernova.

Pourtant, la supernova n’était pas plus brillante que d’autres supernovae associées à des GRB moins énergétiques, ce qui est déroutant. « On pourrait s’attendre à ce que la même étoile qui s’effondre, produisant un GRB très énergique et brillant, produise également une supernova très énergique et brillante », a déclaré Blanchard. « Mais il s’avère que ce n’est pas le cas. Nous avons ce GRB extrêmement lumineux, mais une supernova normale. » Les auteurs suggèrent que cela pourrait avoir quelque chose à voir avec la forme et la structure du jet relativiste, qui était beaucoup plus étroit que les autres jets GRB, ce qui produisait un faisceau de lumière plus concentré et plus brillant.

Les données ont réservé une autre surprise aux astronomes. La seule source confirmée d’éléments lourds dans l’univers à ce jour est la fusion d’étoiles à neutrons binaires. Mais selon Blanchard, il y a beaucoup trop peu de fusions d’étoiles à neutrons pour expliquer l’abondance d’éléments lourds, il doit donc y avoir une autre source. Une source supplémentaire hypothétique est une étoile massive en rotation rapide qui s’effondre et explose en supernova. Hélas, il n’y avait aucune preuve d’éléments lourds dans les données spectrales du JWST concernant le BOAT.

« Lorsque nous avons confirmé que le GRB avait été généré par l’effondrement d’une étoile massive, cela nous a donné l’occasion de tester une hypothèse sur la façon dont se forment certains des éléments les plus lourds de l’univers », a déclaré Blanchard. « Nous n’avons pas vu de signatures de ces éléments lourds, ce qui suggère que les GRB extrêmement énergétiques comme le BOAT ne produisent pas ces éléments. Cela ne veut pas dire que tous les GRB n’en produisent pas, mais c’est une information clé alors que nous continuons à comprendre d’où viennent ces éléments lourds. Les futures observations avec JWST détermineront si les cousins ​​« normaux » du BOAT produisent ces éléments.

Astronomie de la nature, 2024. DOI : 10.1038/s41550-024-02237-4 (À propos des DOI).