Vue d'artiste d'un jet relativiste d'un sursaut gamma (GRB), sortir d'une étoile qui s'effondre, et émettant des photons de très haute énergie. Crédit :DESY, Laboratoire de communication scientifique
Les scientifiques ont obtenu la meilleure vue à ce jour sur les explosions les plus brillantes de l'univers :un observatoire spécialisé en Namibie a enregistré le rayonnement le plus énergétique et la plus longue rémanence de rayons gamma d'un sursaut gamma (GRB) à ce jour. Les observations avec le High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) remettent en cause l'idée établie de la façon dont les rayons gamma sont produits dans ces explosions stellaires colossales qui sont les cris de naissance des trous noirs, comme le rapporte l'équipe internationale dans la revue Science .
« Les sursauts gamma sont des éclairs brillants de rayons X et de rayons gamma observés dans le ciel, émis par des sources extragalactiques lointaines, " explique Sylvia Zhu, scientifique de DESY, l'un des auteurs de l'article. "Ce sont les plus grandes explosions de l'univers et associées à l'effondrement d'une étoile massive en rotation rapide en un trou noir. Une fraction de l'énergie gravitationnelle libérée alimente la production d'une onde de choc ultrarelativiste. Leur émission est divisée en deux phases distinctes :une première phase chaotique prompte de quelques dizaines de secondes, suivi d'une longue durée, phase de rémanence qui s'estompe en douceur."
Le 29 août 2019, les satellites Fermi et Swift ont détecté un sursaut gamma dans la constellation de l'Éridan. L'événement, catalogué comme GRB 190829A selon sa date d'occurrence, s'est avéré être l'un des sursauts gamma les plus proches observés jusqu'à présent, à une distance d'environ un milliard d'années-lumière. À titre de comparaison :le sursaut gamma typique se trouve à environ 20 milliards d'années-lumière. "Nous étions vraiment assis au premier rang lorsque ce sursaut gamma s'est produit, " explique le co-auteur Andrew Taylor de DESY. L'équipe a détecté la rémanence de l'explosion immédiatement lorsqu'elle est devenue visible aux télescopes H.E.S.S. " Nous avons pu observer la rémanence pendant plusieurs jours et à des énergies de rayons gamma sans précédent, " rapporte Taylor.
Vue d'artiste de photons à très haute énergie provenant d'un sursaut de rayons gamma entrant dans l'atmosphère terrestre et initiant des averses d'air qui sont enregistrées par les télescopes du système stéréoscopique à haute énergie (H.E.S.S.) en Namibie. Crédit :DESY, Laboratoire de communication scientifique
La distance relativement courte de ce sursaut gamma a permis des mesures détaillées du spectre de la rémanence, qui est la distribution des "couleurs, " ou énergies photoniques, du rayonnement dans le domaine des très hautes énergies. "Nous avons pu déterminer le spectre du GRB 190829A jusqu'à une énergie de 3,3 téra-électronvolts, c'est environ mille milliards de fois plus énergétique que les photons de la lumière visible, " explique la co-auteur Edna Ruiz-Velasco de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg. " C'est ce qui est si exceptionnel à propos de ce sursaut gamma - il s'est produit dans notre arrière-cour cosmique où les photons de très haute énergie n'ont pas été absorbés dans les collisions avec la lumière de fond sur leur chemin vers la Terre, comme cela se produit sur de plus grandes distances dans le cosmos."
L'équipe pourrait suivre la rémanence jusqu'à trois jours après l'explosion initiale. Le résultat a été une surprise :"Nos observations ont révélé de curieuses similitudes entre l'émission de rayons X et de rayons gamma à très haute énergie de la rémanence du sursaut, " rapporte Zhu. Les théories établies supposent que les deux composantes d'émission doivent être produites par des mécanismes distincts :la composante de rayons X provient d'électrons ultra-rapides qui sont déviés dans les champs magnétiques puissants de l'environnement du sursaut. Ce processus "synchrotron" est assez similaire à la façon dont les accélérateurs de particules sur Terre produisent des rayons X brillants pour les recherches scientifiques.
Cependant, selon les théories existantes, il semblait très improbable que même les explosions les plus puissantes de l'univers puissent accélérer suffisamment les électrons pour produire directement les rayons gamma de très haute énergie observés. Cela est dû à une "limite de combustion, " qui est déterminé par l'équilibre de l'accélération et du refroidissement des particules dans un accélérateur. La production de rayons gamma à très haute énergie nécessite des électrons avec des énergies bien au-delà de la limite de combustion. Au lieu de cela, les théories actuelles supposent que dans un sursaut gamma, des électrons rapides entrent en collision avec des photons synchrotron et les élèvent ainsi à des énergies de rayons gamma dans un processus appelé auto-Compton synchrotron.
Les rayons X du sursaut gamma ont été détectés par le satellite Swift de la NASA en orbite terrestre. Des rayons gamma de très haute énergie sont entrés dans l'atmosphère et ont déclenché des averses d'air qui ont été détectées par le H.E.S.S. télescopes depuis le sol (vue d'artiste). Crédit :DESY, Laboratoire de communication scientifique
Mais les observations de la rémanence du GRB 190829A montrent maintenant que les deux composants, rayons X et rayons gamma, fondu en synchronisation. Aussi, le spectre des rayons gamma correspondait clairement à une extrapolation du spectre des rayons X. Ensemble, ces résultats sont une forte indication que les rayons X et les rayons gamma de très haute énergie dans cette rémanence ont été produits par le même mécanisme. "Il est plutôt inattendu d'observer des caractéristiques spectrales et temporelles aussi remarquablement similaires dans les bandes d'énergie des rayons X et des rayons gamma à très haute énergie, si l'émission dans ces deux domaines énergétiques avait des origines différentes, ", explique le co-auteur Dmitry Khangulyan de l'Université Rikkyo à Tokyo. Cela pose un défi pour l'origine synchrotron auto-Compton de l'émission de rayons gamma à très haute énergie.
L'implication de grande envergure de cette possibilité met en évidence la nécessité de poursuivre les études sur l'émission de rémanence GRB à très haute énergie. GRB 190829A n'est que le quatrième sursaut gamma détecté depuis le sol. Cependant, les explosions détectées précédemment se sont produites beaucoup plus loin dans le cosmos et leur rémanence n'a pu être observée que pendant quelques heures chacune et non à des énergies supérieures à 1 téra-électronvolt (TeV). "Regardant vers l'avenir, les perspectives de détection des sursauts gamma par des instruments de nouvelle génération comme le Cherenkov Telescope Array actuellement en construction dans les Andes chiliennes et sur l'île canarienne de La Palma semblent prometteuses, ", déclare Stefan Wagner, porte-parole de H.E.S.S. de Landessternwarte Heidelberg. nous aidant à comprendre pleinement leur physique.
