En un clin d'œil, une étoile massive à plus de 2 milliards d'années-lumière a perdu un combat d'un million d'années contre la gravité et s'est effondrée, déclenchant une supernova et formant un trou noir en son centre.

Ce trou noir nouveau-né a éructé un flash éphémère mais étonnamment intense de rayons gamma connu sous le nom de sursaut gamma (GRB) vers la Terre, où il a été détecté par l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA le 19 décembre 2016.

Alors que les rayons gamma du sursaut ont disparu de la vue sept secondes plus tard, longueurs d'onde plus longues de la lumière de l'explosion, y compris les rayons X, lumière visible, et la radio—ont continué à briller pendant des semaines. Cela a permis aux astronomes d'étudier les conséquences de cet événement fantastiquement énergétique, connu sous le nom de GRB 161219B, avec de nombreux observatoires au sol, y compris le Very Large Array de la National Science Foundation.

Les capacités uniques de l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), cependant, a permis à une équipe d'astronomes de faire une étude approfondie de cette explosion à des longueurs d'onde millimétriques, acquérir de nouvelles connaissances sur ce GRB particulier et sur la taille et la composition de ses puissants jets.

"Étant donné qu'ALMA voit dans une lumière de longueur d'onde millimétrique, qui transporte des informations sur la façon dont les jets interagissent avec les poussières et les gaz environnants, c'est une sonde puissante de ces violentes explosions cosmiques, " dit Tanmoy Laskar, astronome à l'Université de Californie, Berkeley, et un boursier postdoctoral Jansky de l'Observatoire national de radioastronomie. Laskar est l'auteur principal de l'étude, qui apparaît dans le Journal d'astrophysique .

Ces observations ont permis aux astronomes de produire le tout premier film en accéléré d'ALMA d'une explosion cosmique, qui a révélé une onde de choc inversée étonnamment longue de l'explosion faisant écho à travers les jets. « Avec notre compréhension actuelle des GRB, nous nous attendrions normalement à ce qu'un choc inversé ne dure que quelques secondes. Celui-ci a duré une bonne partie d'une journée entière, " a déclaré Laskar.

Un choc inverse se produit lorsque le matériau projeté loin d'un GRB par ses jets se heurte au gaz environnant. Cette rencontre ralentit la matière qui s'échappe, renvoyant une onde de choc dans le jet.

Étant donné que les jets ne durent pas plus de quelques secondes, un choc inverse devrait être un événement tout aussi éphémère. Mais cela semble maintenant ne plus être le cas.

"Depuis des décennies, les astronomes pensaient que ce choc inverse produirait un flash lumineux de lumière visible, qui a été jusqu'à présent très difficile à trouver malgré des recherches minutieuses. Nos observations ALMA montrent que nous avons peut-être regardé au mauvais endroit, et que les observations millimétriques sont notre meilleur espoir d'attraper ces feux d'artifice cosmiques, " a déclaré Carole Mundell de l'Université de Bath, et co-auteur de l'étude.

Au lieu, la lumière du choc inverse brille plus intensément aux longueurs d'onde millimétriques sur des échelles de temps d'environ un jour, ce qui explique probablement pourquoi il était si difficile à détecter auparavant. Alors que la première lumière millimétrique a été créée par le choc inverse, les rayons X et la lumière visible provenaient du choc de l'onde de choc à l'avant du jet.

"Ce qui était unique à propos de cet événement, " Laskar ajoute, "est-ce que lorsque le choc inverse est entré dans le jet, il a lentement mais continuellement transféré l'énergie du jet dans l'onde de choc qui se déplace vers l'avant, provoquant une atténuation des rayons X et de la lumière visible beaucoup plus lente que prévu. Les astronomes se sont toujours demandé d'où venait cette énergie supplémentaire dans l'onde de choc. Merci à ALMA, nous savons que cette énergie - jusqu'à 85 % du total dans le cas du GRB 161219B - est cachée dans un matériau lent à l'intérieur du jet lui-même."

L'émission lumineuse de choc inversé s'est estompée en une semaine. L'onde de choc a ensuite brillé dans la bande millimétrique, donnant à ALMA une chance d'étudier la géométrie du jet.

La lumière visible de l'onde de choc à ce moment critique, lorsque l'écoulement a ralenti juste assez pour que tout le jet devienne visible sur Terre, a été éclipsée par la supernova émergente de l'étoile explosée. Mais les observations d'ALMA, non encombré par la lumière de la supernova, a permis aux astronomes de contraindre l'angle d'ouverture de l'écoulement du jet à environ 13 degrés.

Comprendre la forme et la durée de la sortie de l'étoile est essentiel pour déterminer la véritable énergie du sursaut. Dans ce cas, les astronomes ont découvert que les jets contenaient autant d'énergie que notre Soleil en produit en un milliard d'années.

"C'est une quantité fantastique d'énergie, mais c'est en fait l'un des événements les moins énergiques que nous ayons jamais vus. Pourquoi cela reste un mystère, " dit Kate Alexander, un étudiant diplômé de l'Université Harvard qui a dirigé les observations VLA rapportées dans cette étude. "Though more than two billion light-years away, this GRB is actually the nearest such event for which we have measured the detailed properties of the outflow, thanks to the combined power of ALMA and the VLA."

The VLA, which observes at longer wavelengths, continued observing the radio emission from the reverse shock after it faded from ALMA's view.

This is only the fourth gamma-ray burst with a convincing, multi-frequency detection of a reverse shock, the researchers note. The material around the collapsing star was about 3, 000 times less dense than the average density of gas in our galaxy, and these new ALMA observations suggest that such low-density environments are essential for producing reverse shock emission, which may explain why such signatures are so rare.

"Our rapid-response observations highlight the key role ALMA can play in following up transients, revealing the energy source that powers them, and using them to map the physics of the universe to the dawn of the first stars, " concludes Laskar. "In particular, our study demonstrates that ALMA's superb sensitivity and new rapid-response capabilities makes it the only facility that can routinely detect reverse shocks, allowing us to probe the nature of the relativistic jets in these energetic transients, and the engines that launch and feed them."