En juin 2016, une équipe internationale de 31 astronomes, dirigé par Eleanora Troja de l'Université du Maryland et comprenant Nathaniel Butler de l'Université d'État de l'Arizona, a attrapé une étoile massive alors qu'elle mourait dans une explosion titanesque au plus profond de l'espace.

L'explosion de l'étoile mourante a libéré en 40 secondes environ autant d'énergie que le Soleil en libère pendant toute sa durée de vie, tous concentrés dans un faisceau étroit de rayons gamma dirigés par hasard vers la Terre.

Les conclusions de l'équipe, rapporté dans la revue scientifique La nature , fournissent des preuves solides pour l'un des deux modèles concurrents sur la façon dont les sursauts gamma (GRB) produisent leur énergie.

"Ce sont les explosions les plus brillantes de l'univers, " dit Butler, professeur agrégé à l'École d'exploration de la Terre et de l'espace de l'ASU. "Et nous avons pu mesurer le développement et la décomposition de celui-ci presque depuis l'explosion initiale."

Réflexes rapides

L'explosion de rayons gamma du 25 juin 2016, a été détecté par deux satellites de la NASA qui surveillent le ciel pour de tels événements, le télescope spatial Fermi à rayons gamma et la mission Swift Gamma-Ray Burst.

Les observatoires satellitaires ont détecté le sursaut de rayons gamma, identifié d'où dans le ciel il vient, et a envoyé sa position céleste en quelques secondes à des télescopes automatisés au sol.

Le télescope MASTER-IRC de l'observatoire du Teide aux îles Canaries l'a observé en premier, dans la minute qui suit la notification satellite. Le télescope fait partie du réseau russe MASTER de télescopes robotiques de l'observatoire du Teide. Il a fait des observations en lumière optique alors que la phase initiale était encore active, recueillir des données sur la quantité de lumière optique polarisée par rapport à la lumière totale produite.

Après que le soleil se soit couché sur cette installation huit heures et demie plus tard, la caméra RATIR dans laquelle ASU est impliquée a commencé à observer. RATIR signifie Reionization And Transients InfraRed camera; il est monté sur un télescope contrôlé par robot de 1,5 mètre (60 pouces) situé sur le pic San Pedro Mártir, à l'Observatoire national d'astronomie du Mexique en Basse-Californie. Butler est le chercheur principal de la caméra entièrement automatisée.

Butler explique, "Au mieux, il faut une minute ou deux à notre télescope pour se diriger vers la position de la rafale. Dans ce cas, nous avons dû attendre qu'il s'élève à l'horizon. Cela signifie que le sursaut gamma lui-même était terminé, et nous observions ce qu'on appelle la rémanence. C'est l'explosion qui s'estompe lorsque le rayonnement choque le milieu interstellaire autour de l'étoile qui a explosé."

Il dit, "La caméra RATIR nous permet de prendre des images simultanées en six couleurs, deux optiques et quatre proche infrarouge. Au cours des cinq dernières années, RATIR a imagé 155 sursauts gamma."

Rayons mystérieux d'énergie

Alors que les sursauts gamma sont connus depuis une cinquantaine d'années, les astronomes ne savent toujours pas comment ils éclatent.

"Malgré une longue histoire d'observations, " Butler dit, "le mécanisme d'émission entraînant les sursauts gamma reste en grande partie mystérieux."

Les sursauts gamma sont détectés environ une fois par jour et sont brefs, mais intense, éclairs de rayonnement gamma. Ils viennent de toutes les directions différentes dans le ciel, et ils durent de quelques dizaines de millisecondes à environ une minute, rendant difficile leur observation en détail.

Les astronomes pensent que la plupart de ces explosions sont associées à des supernovas. Celles-ci se produisent lorsqu'une étoile massive atteint la fin de son existence normale et explose dans une explosion colossale. Une supernova rejette certaines des couches externes de l'étoile, tandis que son noyau et les couches restantes s'effondrent en quelques secondes en une étoile à neutrons ou, dans le cas d'étoiles très massives, a black hole.

Continued RATIR observations over weeks following the June 2016 outburst showed that the gamma rays were shot out in a beam about two degrees wide, or roughly four times the apparent size of the Moon. It was sheer chance that Earth happened to lie within the beam.

Beaming effects, Butler says, may result from the spin of the black hole produced after the supernova explosion, as it releases material along its poles.

Magnetic focus

"We think the gamma-ray emission is due to highly energetic electrons, propelled outward like a fireball, " Butler says. Magnetic fields must also be present, he adds, and theories differ as to how the fields are produced and to what extent the flow of magnetic energy outward is important.

A key diagnostic is measuring the radiation's polarization, he explains. Cette, astronomers think, is largely controlled by the strength of the magnetic fields that focus the radiation. Butler says, "Measuring the strength of magnetic fields by their polarization effects can tell us about the mechanisms that accelerate particles such as electrons up to very high energies and cause them to radiate at gamma-ray energies."

In the case of the June 2016 blast, the scientists were able to measure polarization using MASTER within minutes, an unprecedented early discovery. The large amount of polarization the team observed indicates that powerful magnetic fields were confining and directing it. This lends support for the magnetic origin model for gamma-ray bursters.

While gamma-ray bursters have many more mysteries to be unfolded, Butler says, "this is the first strong evidence that the early shocks generated by these bursts are magnetically driven."