Pour 10 ans, Le télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA a scanné le ciel à la recherche de sursauts gamma (GRB), les explosions les plus lumineuses de l'univers. Un nouveau catalogue des explosions les plus énergétiques fournit aux scientifiques de nouvelles informations sur leur fonctionnement.

"Chaque rafale est en quelque sorte unique, " dit Magnus Axelsson, astrophysicien à l'Université de Stockholm en Suède. "C'est seulement quand on peut étudier de gros échantillons, comme dans ce catalogue, que nous commençons à comprendre les caractéristiques communes des GRB. Ceux-ci nous donnent à leur tour des indices sur les mécanismes physiques à l'œuvre."

Le catalogue a été publié dans l'édition du 13 juin de Le Journal d'Astrophysique et est maintenant disponible en ligne. Plus de 120 auteurs ont contribué à l'article, dirigé par Axelsson, Elisabetta Bissaldi à l'Institut national de physique nucléaire et à l'Université polytechnique de Bari, Italie, et Nicola Omodei et Giacomo Vianello à l'Université de Stanford en Californie.

Les GRB émettent des rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique. La plupart des GRB se produisent lorsque certains types d'étoiles massives manquent de carburant et s'effondrent pour créer de nouveaux trous noirs. D'autres se produisent lorsque deux étoiles à neutrons, restes superdenses d'explosions stellaires, fusionner. Les deux types d'événements cataclysmiques créent des jets de particules qui se déplacent près de la vitesse de la lumière. Les rayons gamma sont produits lors de collisions de matériaux en mouvement rapide à l'intérieur des jets et lorsque les jets interagissent avec l'environnement autour de l'étoile.

Les astronomes peuvent distinguer les deux classes GRB par la durée de leurs rayons gamma de plus faible énergie. Les courtes rafales des fusions d'étoiles à neutrons durent moins de 2 secondes, tandis que les longues rafales durent généralement une minute ou plus. Le nouveau catalogue, qui comprend 17 rafales courtes et 169 longues, décrit 186 événements observés par le télescope à grande surface (LAT) de Fermi au cours des 10 dernières années.

Fermi observe ces sursauts puissants à l'aide de deux instruments. Le LAT voit environ un cinquième du ciel à tout moment et enregistre les rayons gamma avec des énergies supérieures à 30 millions d'électrons-volts (MeV), des millions de fois l'énergie de la lumière visible. Le Gamma-ray Burst Monitor (GBM) voit tout le ciel qui n'est pas bloqué par la Terre et détecte les émissions à plus faible énergie. En tout, le GBM en a détecté plus de 2, 300 GRB à ce jour.

Vous trouverez ci-dessous un échantillon de cinq événements records et intrigants du catalogue LAT qui ont aidé les scientifiques à en savoir plus sur les GRB.

1. GRB 081102B

La courte rafale 081102B, qui s'est produit dans la constellation de Boötes le 2 novembre, 2008, est le GRB le plus bref détecté par LAT, ne dure qu'un dixième de seconde. Bien que ce sursaut soit apparu dans la première année d'observations de Fermi, il n'était pas inclus dans une version antérieure de la collection publiée en 2013.

"Le premier catalogue LAT n'identifiait que 35 GRB, " a déclaré Bissaldi. " Grâce à l'amélioration des techniques d'analyse des données, nous avons pu confirmer certaines des observations marginales dans cet échantillon, ainsi que d'identifier cinq fois plus de rafales pour le nouveau catalogue."

2. GRB 160623A

Éclat de longue durée 160623A, repéré le 23 juin 2016, dans la constellation du Cygne, a continué à briller pendant près de 10 heures aux énergies LAT, la plus longue rafale du catalogue. Mais aux énergies inférieures enregistrées par l'instrument GBM de Fermi, il n'a été détecté que pendant 107 secondes. Cette nette différence entre les instruments confirme une tendance évoquée dans le premier catalogue LAT. Pour les rafales longues et courtes, l'émission de rayons gamma à haute énergie dure plus longtemps que l'émission à basse énergie et se produit plus tard.

3. GRB 130427A

Le rayon gamma individuel de plus haute énergie détecté par le LAT de Fermi a atteint 94 milliards d'électrons-volts (GeV) et a parcouru 3,8 milliards d'années-lumière depuis la constellation du Lion. Il a été émis par 130427A, qui détient également le record du plus grand nombre de rayons gamma (17) avec des énergies supérieures à 10 GeV.

Un modèle populaire a proposé que les particules chargées dans le jet, se déplaçant presque à la vitesse de la lumière, rencontrer une onde de choc et changer soudainement de direction, émettant des rayons gamma en conséquence. Mais ce modèle ne peut pas expliquer la lumière record de cette rafale, obligeant les scientifiques à repenser leurs théories.

Les résultats originaux sur 130427A montrent que l'instrument LAT a suivi son émission pendant deux fois plus longtemps qu'indiqué dans le catalogue. En raison de la grande taille de l'échantillon, l'équipe a adopté la même analyse standardisée pour tous les GRB, résultant en des nombres légèrement différents de ceux rapportés dans l'étude précédente.

4. GRB 080916C

Le GRB le plus éloigné connu s'est produit à 12,2 milliards d'années-lumière dans la constellation de la Carène. Appelé 080916C, les chercheurs calculent que l'explosion contenait la puissance de 9, 000 supernovae.

Les télescopes peuvent observer les GRB à ces grandes distances parce qu'ils sont si brillants, mais déterminer leur distance exacte est difficile. Les distances ne sont connues que pour 34 des 186 épreuves du nouveau catalogue.

5. GRB 090510

La distance connue jusqu'à 090510 a permis de tester la théorie d'Einstein selon laquelle le tissu de l'espace-temps est lisse et continu. Fermi a détecté à la fois un rayon gamma de haute énergie et un rayon gamma de basse énergie presque au même instant. Ayant parcouru la même distance dans le même temps, ils ont montré que toute lumière, quelle que soit son énergie, se déplace à la même vitesse dans le vide de l'espace.

"L'émission totale de rayons gamma de 090510 a duré moins de 3 minutes, pourtant il nous a permis de sonder cette question très fondamentale sur la physique de notre cosmos, " a déclaré Omodei. " Les GRB sont vraiment l'un des événements astronomiques les plus spectaculaires auxquels nous assistons. "

Qu'est-ce qui manque ?

GRB 170817A a marqué la première fois la lumière et les ondulations dans l'espace-temps, appelées ondes gravitationnelles, ont été détectés à partir de la fusion de deux étoiles à neutrons. L'événement a été capturé par le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), l'interféromètre Virgo et l'instrument GBM de Fermi, mais cela n'a pas été observé par le LAT car l'instrument a été éteint lorsque le vaisseau spatial a traversé une région de l'orbite de Fermi où l'activité des particules est élevée.

"Maintenant que LIGO et Virgo ont commencé une autre période d'observation, la communauté de l'astrophysique sera à l'affût d'autres événements conjoints de GRB et d'ondes gravitationnelles », a déclaré Judy Racusin, co-auteur et scientifique adjoint du projet Fermi au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Ce catalogue était un effort d'équipe monumental, et le résultat nous aide à en savoir plus sur la population de ces événements et nous prépare à approfondir les futures découvertes révolutionnaires. »

Le télescope spatial Fermi à rayons gamma est un partenariat d'astrophysique et de physique des particules géré par le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Fermi a été développé en collaboration avec le département américain de l'Énergie, avec des contributions importantes d'institutions académiques et de partenaires en France, Allemagne, Italie, Japon, Suède et États-Unis.