En dehors des trous noirs, les magnétars sont peut-être les étoiles les plus extrêmes de l'univers. Avec un diamètre inférieur à la longueur de Manhattan, ils emballent plus de masse que celle de notre soleil, brandissent le plus grand champ magnétique de tous les objets connus - plus de 10 000 milliards de fois plus puissant qu'un aimant de réfrigérateur - et tournent sur leurs axes toutes les quelques secondes.

Un type d'étoile à neutrons - le vestige d'une explosion de supernova - les magnétars sont si fortement magnétisés que même de modestes perturbations du champ magnétique peuvent provoquer des sursauts de rayons X qui durent sporadiquement pendant des semaines ou des mois.

Ces exotiques, On pense également que les étoiles compactes sont à l'origine de certains types de sursauts gamma courts (GRB) :des éclairs brillants de rayonnement hautement énergétique qui ont intrigué les astronomes depuis qu'ils ont été détectés pour la première fois dans les années 1970. Plusieurs de ces éruptions magnétar géantes ont été détectées dans la Voie lactée. Mais parce qu'ils sont si intenses qu'ils saturent les détecteurs, et les observations dans la galaxie sont obscurcies par la poussière, scientifique de l'espace Kevin Hurley à l'Université de Californie, Berkeley, et une équipe internationale d'astronomes a recherché ces mêmes éruptions dans des galaxies extérieures à la nôtre pour une vision plus claire.

Cet effort de 45 ans porte ses fruits. Un court sursaut de rayons gamma détecté le 15 avril dernier dans une galaxie distante de 11,4 millions d'années-lumière montre une signature claire qui, selon Hurley, pourrait aider les astronomes à trouver plus facilement les sursauts de magnétar et enfin à rassembler les données nécessaires pour vérifier les nombreuses théories qui expliquent les magnétars et leurs rayons gamma. fusées éclairantes.

"Nous avons ce que nous pensons être quatre détections solides depuis 1979 d'éruptions magnétar géantes extragalactiques, deux d'entre eux des sursauts presque identiques provenant de galaxies différentes, " dit Hurley, un senior space fellow au Space Sciences Laboratory de l'UC Berkeley. "Cela nous amène à croire qu'il pourrait y avoir une sorte de modèle émergent qui nous aidera à les identifier plus rapidement à l'avenir. J'espère que le rythme va maintenant s'accélérer car nous savons beaucoup mieux ce que nous recherchons. "

Hurley et trois collègues rendront compte de la découverte de GRB par divers satellites américains et européens et de ses implications lors d'une conférence de presse mercredi, 13 janvier à la réunion annuelle de l'American Astronomical Society et dans trois articles publiés simultanément dans les revues La nature et Astronomie de la nature .

Le magnétar géant éclate

GRB, les explosions les plus puissantes du cosmos, peut être détecté à travers des milliards d'années-lumière. La plupart de ceux qui durent moins de deux secondes environ, appelés GRB courts, se produisent lorsqu'une paire d'étoiles à neutrons en orbite spirale l'une dans l'autre et fusionne. Les astronomes ont confirmé ce scénario pour au moins quelques GRB courts en 2017, lorsqu'un sursaut a suivi l'arrivée d'ondes gravitationnelles - des ondulations dans l'espace-temps - produites lorsque les étoiles à neutrons ont fusionné à 130 millions d'années-lumière.

Mais tous les GRB courts ne correspondent pas au profil de fusion d'étoiles à neutrons, dit Hurley. Spécifiquement, des 29 magnétars de notre Voie lactée connus pour présenter une activité occasionnelle de rayons X, deux ont produit des fusées éclairantes géantes qui sont différentes des sursauts de ces fusions.

La plus récente de ces détections a eu lieu le 27 décembre 2004, un événement qui a produit des changements mesurables dans la haute atmosphère terrestre, malgré l'éruption d'un magnétar situé à environ 28, à 000 années-lumière.

Depuis la fin des années 1970, Hurley a exploité le réseau interplanétaire (IPN), un effort 24h/24 et 7j/7 pour parcourir les données de nombreux engins spatiaux - actuellement cinq, capturer quelque 325 sursauts gamma par an, dans l'espoir de trouver plus d'éruptions magnétar géantes. Ce réseau a été essentiel pour capturer le 15 avril, 2020, éclater.

Peu avant 4 h 42 HAE ce mercredi, une brève, une puissante explosion de rayons X et de rayons gamma a balayé Mars, le déclenchement du détecteur russe de neutrons à haute énergie à bord du vaisseau spatial Mars Odyssey de la NASA, qui orbite autour de la planète depuis 2001. Environ 6,6 minutes plus tard, la rafale a déclenché l'instrument russe Konus à bord du satellite Wind de la NASA, qui orbite un point entre la Terre et le soleil situé vers 930, 000 miles (1,5 million de kilomètres) de distance. Après encore 4,5 secondes, le rayonnement a traversé la Terre, instruments de déclenchement sur le télescope spatial Fermi Gamma de la NASA et le satellite INTEGRAL de l'Agence spatiale européenne.

L'analyse des données du Burst Alert Telescope (BAT) sur l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA a fourni des informations supplémentaires sur l'événement.

Ces données ont montré que l'impulsion de rayonnement n'a duré que 140 millisecondes, le clin d'oeil.

Hurley et Dmitry Svinkin de l'Institut Ioffe de Russie, membre de l'équipe IPN, utilisé les heures d'arrivée mesurées par le Fermi, Rapide, Vent, Missions Mars Odyssey et INTEGRAL pour localiser le sursaut du 15 avril, appelé GRB 200415A, carrément dans la région centrale de NGC 253, une galaxie spirale brillante située à environ 11,4 millions d'années-lumière dans la constellation du Sculpteur. C'est la position du ciel la plus précise jamais déterminée pour un magnétar situé au-delà du Grand Nuage de Magellan, satellite de notre galaxie et hôte en 1979 de la première éruption géante jamais détectée.

"C'était le magnétar le plus précisément localisé en dehors de notre galaxie jusqu'à présent, et nous l'avons vraiment épinglé maintenant, pas seulement dans une galaxie, mais une partie d'une galaxie où nous nous attendons à ce que la formation d'étoiles se déroule, et les étoiles explosent. C'est là que devraient être les supernovas et les magnétars, trop, " Hurley a déclaré. "L'événement du 15 avril est un changeur de jeu."

Flashs d'un phare

Les éruptions géantes observées dans la Voie lactée semblent un peu différentes de celles des galaxies voisines en raison de la distance. Les astronomes ont documenté que les éruptions géantes des magnétars de la Voie lactée et de ses satellites évoluent de manière distincte, avec une montée rapide jusqu'à la luminosité maximale suivie d'une queue plus progressive d'émission fluctuante. Ces variations résultent de la rotation du magnétar, qui amène à plusieurs reprises l'emplacement de l'éruption dans et hors de vue de la Terre, un peu comme un phare.

L'observation de cette queue fluctuante est la preuve concluante d'une fusée géante - un pistolet fumant, dit Hurley. Pour les fusées éclairantes de magnétar à des millions d'années-lumière, cependant, cette émission est trop faible pour être détectée avec les instruments d'aujourd'hui. Pour cette raison, les fusées éclairantes géantes dans notre voisinage galactique peuvent être confondues avec des GRB de type fusion plus éloignés et plus puissants.

Les nouvelles observations révèlent des impulsions multiples, le premier apparaissant en seulement 77 microsecondes, soit environ 13 fois la vitesse d'un flash d'appareil photo et près de 100 fois plus rapide que la montée en puissance des GRB les plus rapides produits par les fusions.

"La combinaison du temps de montée et du temps de décroissance, nous pensons, peut-être nous montrer un modèle, parce que nous l'avons déjà vu, nous l'avons vu en 2005, avec un autre événement, presque la copie carbone. Et le spectre énergétique des deux était également similaire, " a déclaré Hurley.

Le moniteur de rafales gamma de Fermi a également détecté des variations rapides d'énergie au cours de l'éruption qui n'avaient jamais été observées auparavant.

"Les fusées éclairantes géantes dans notre galaxie sont si brillantes qu'elles submergent nos instruments, les laissant s'accrocher à leurs secrets, " a déclaré Oliver Roberts, chercheur associé à l'Institut scientifique et technologique de l'Universities Space Research Association à Huntsville, Alabama, qui a dirigé l'étude des données de Fermi. "Pour la première fois, Le GRB 200415A et les éruptions lointaines comme celui-ci permettent à nos instruments de capturer chaque caractéristique et d'explorer ces puissantes éruptions à une profondeur inégalée."

Starquakes et reconnexion du champ magnétique

Les fusées éclairantes géantes sont mal comprises, mais les astronomes pensent qu'ils résultent d'un réarrangement soudain du champ magnétique du magnétar. Une possibilité est que le champ au-dessus de la surface devienne trop tordu, libérant soudainement de l'énergie alors qu'il s'installe dans une configuration plus stable. Une défaillance mécanique de la croûte du magnétar - un tremblement d'étoile - peut déclencher la reconfiguration soudaine.

"L'idée est que vous avez ce champ magnétique super fort sortant de l'étoile, mais ancré à la croûte, et le champ magnétique peut se tordre, exerçant une pression sur la croûte. La croûte a une limite élastique, et après avoir dépassé cette limite élastique, ça craque. Puis, cette fissure envoie des ondes dans le champ magnétique, et ces vagues perturbent le champ, et vous pouvez obtenir une reconnexion et une libération d'énergie et des rayons gamma, " a déclaré Hurley.

Roberts et ses collègues disent que les données montrent des preuves de vibrations sismiques pendant l'éruption. Les chercheurs disent que cette émission provient d'un nuage d'électrons et de positons éjectés se déplaçant à environ 99% de la vitesse de la lumière. La courte durée de l'émission et sa luminosité et son énergie changeantes reflètent la rotation du magnétar, monter et descendre comme les phares d'une voiture qui fait un virage. Roberts le décrit comme commençant comme une goutte opaque - il l'imagine ressemblant à une torpille à photons de la franchise "Star Trek" - qui se dilate et se diffuse au fur et à mesure de son voyage.

La torpille est également l'une des plus grandes surprises de l'événement. Les rayons X les plus énergétiques enregistrés par le Gamma-Burst Monitor ont atteint 3 millions d'électrons-volts (MeV), soit environ 1 million de fois l'énergie de la lumière bleue. L'instrument principal du satellite, le télescope à grande surface (LAT), a également détecté trois rayons gamma avec des énergies de 480 MeV, 1,3 milliard d'électrons-volts (GeV) et 1,7 GeV, la lumière la plus énergétique jamais détectée à partir d'une éruption géante magnétar. Ce qui est surprenant, c'est que tous ces rayons gamma sont apparus longtemps après que l'éclat ait diminué dans d'autres instruments.

Nicola Omodeï, chercheur principal à l'Université de Stanford, a dirigé l'équipe du LAT enquêtant sur ces rayons gamma, qui est arrivé entre 19 secondes et 4,7 minutes après l'événement principal. Les scientifiques ont conclu que ce signal provenait très probablement aussi de l'éruption magnétar.

Un magnétar produit un flux constant de particules en mouvement rapide. Lorsque ces particules se déplacent dans l'espace, ils s'enfoncent dans, ralentir et détourner le gaz interstellaire. Le gaz s'accumule, s'échauffe et se comprime, et forme un type d'onde de choc appelé choc d'arc, comme les ondulations devant un bateau en mouvement.

Dans le modèle proposé par l'équipe LAT, l'impulsion initiale de rayons gamma de l'éruption se propage vers l'extérieur à la vitesse de la lumière, suivi du nuage de matière éjecté, qui avance presque aussi vite. Après plusieurs jours, ils atteignent tous les deux le choc de l'arc. Les rayons gamma le traversent. Quelques secondes plus tard, le nuage de particules - maintenant étendu en un vaste, coque mince - entre en collision avec le gaz accumulé au niveau de l'amortisseur d'étrave. Cette interaction crée des ondes de choc qui accélèrent les particules, produisant les rayons gamma les plus énergétiques après le sursaut principal.

L'éruption du 15 avril prouve que les événements de 2020 et 2004 constituent leur propre classe de GRB, dit Hurley.

"Quelques pour cent des GRB courts peuvent vraiment être des fusées éclairantes géantes magnétar, " a déclaré Eric Burns, un professeur adjoint de physique et d'astronomie à la Louisiana State University à Baton Rouge qui a dirigé une étude qui a identifié d'autres suspects de magnétar extragalactique. "En réalité, ce sont peut-être les explosions de haute énergie les plus courantes que nous ayons détectées jusqu'à présent au-delà de notre galaxie, environ cinq fois plus fréquentes que les supernovae."

Alors que les sursauts près de la galaxie M81 en 2005 et de la galaxie d'Andromède (M31) en 2007 avaient déjà été suggérés comme des éruptions géantes, son équipe a identifié une fusée éclairante nouvellement signalée dans M83, aussi vu en 2007. A cela s'ajoutent l'éruption géante de 1979 et celles observées dans notre Voie Lactée en 1998 et 2004.

"C'est un petit échantillon, mais nous avons maintenant une meilleure idée de leurs vraies énergies, et jusqu'où nous pouvons les détecter, " dit Burns, dont l'étude paraîtra plus tard cette année dans Les lettres du journal astrophysique .