Le 14 janvier, 2019, l'observatoire MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) dans les îles Canaries a capturé la lumière la plus énergétique jamais enregistrée à partir d'un sursaut gamma. MAGIC a commencé à observer l'éclatement de la décoloration à peine 50 secondes après sa détection grâce aux positions fournies par les vaisseaux spatiaux Fermi et Swift de la NASA (en haut à gauche et à droite, respectivement, dans cette illustration). Les rayons gamma ont accumulé une énergie jusqu'à 10 fois supérieure à celle observée auparavant. Crédit :NASA/Fermi et Aurore Simonnet, Université d'État de Sonoma
Une paire d'explosions distantes découvertes par le télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA et l'observatoire Neil Gehrels Swift ont produit la lumière la plus énergétique jamais vue de ces événements, appelés sursauts gamma (GRB). Les détections record, réalisés par deux observatoires au sol différents, fournir de nouvelles informations sur les mécanismes à l'origine des sursauts gamma.
Les astronomes ont reconnu le phénomène GRB pour la première fois il y a 46 ans. Les explosions apparaissent à des endroits aléatoires dans le ciel environ une fois par jour, en moyenne.
Le type de GRB le plus courant se produit lorsqu'une étoile beaucoup plus massive que le Soleil manque de carburant. Son noyau s'effondre et forme un trou noir, qui projette alors des jets de particules vers l'extérieur à presque la vitesse de la lumière. Ces jets percent l'étoile et continuent dans l'espace. Ils produisent une impulsion initiale de rayons gamma - la forme de lumière la plus énergétique - qui dure généralement environ une minute.
Alors que les jets s'élancent vers l'extérieur, ils interagissent avec le gaz environnant et émettent de la lumière à travers le spectre, de la radio aux rayons gamma. Ces soi-disant rémanences peuvent être détectées jusqu'à des mois - et rarement, même des années, après le sursaut à des longueurs d'onde plus longues.
"Une grande partie de ce que nous avons appris sur les GRB au cours des deux dernières décennies est venue de l'observation de leurs rémanences à des énergies plus basses, " a déclaré Elizabeth Hays, le scientifique du projet Fermi au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Maintenant, grâce à ces nouvelles détections au sol, nous voyons les rayons gamma des sursauts gamma d'une toute nouvelle manière."
Deux articles publiés dans la revue La nature décrire chacune des découvertes. Un troisième article analyse l'un des sursauts à l'aide d'un riche ensemble de données multi-longueurs d'onde provenant d'observatoires dans l'espace et au sol. Un quatrième papier, accepté par le Journal d'astrophysique , explore plus en détail les données Fermi et Swift.
La rémanence de GRB 190114C et sa galaxie d'origine ont été photographiées par le télescope spatial Hubble les 11 février et 12 mars. 2019. La différence entre ces images révèle une faible, lueur de courte durée (centre du cercle vert) située à environ 800 années-lumière du noyau de la galaxie. Les couleurs bleues au-delà du noyau signalent la présence de chaud, jeunes étoiles, indiquant qu'il s'agit d'une galaxie spirale quelque peu similaire à la nôtre. Il est situé à environ 4,5 milliards d'années-lumière dans la constellation de Fornax. Crédit :NASA, ESA, et V. Acciari et al. 2019
Le 14 janvier, 2019, juste avant 16h EST, les satellites Fermi et Swift ont détecté un pic de rayons gamma de la constellation Fornax. Les missions ont alerté la communauté astronomique de l'emplacement de l'éclatement, surnommé GRB 190114C.
Une installation recevant les alertes était l'observatoire Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC), situé à La Palma dans les îles Canaries, Espagne. Ses deux télescopes de 17 mètres se sont automatiquement dirigés vers le site de l'éclatement de l'évanouissement. Ils ont commencé à observer le GRB seulement 50 secondes après sa découverte et ont capturé les rayons gamma les plus énergétiques jamais vus lors de ces événements.
L'énergie de la lumière visible varie d'environ 2 à 3 électrons-volts. En 2013, Le télescope à grande surface (LAT) de Fermi a détecté une lumière atteignant une énergie de 95 milliards d'électrons-volts (GeV), puis le plus haut vu d'un éclatement. Cela tombe juste en dessous de 100 GeV, le seuil des rayons gamma dits de très haute énergie (VHE). Avec GRB 190114C, MAGIC est devenu la première installation à déclarer des émissions VHE sans ambiguïté, avec des énergies allant jusqu'à un billion d'électrons-volts (1 TeV). C'est 10 fois le pic d'énergie que Fermi a connu à ce jour.
"Il y a vingt ans, nous avons conçu MAGIC spécifiquement pour rechercher les émissions VHE des GRB, c'est donc un énorme succès pour notre équipe, " a déclaré le co-auteur Razmik Mirzoyan, scientifique à l'Institut de physique Max Planck de Munich et porte-parole de la collaboration MAGIC. "La découverte des rayons gamma TeV du GRB 190114C montre que ces explosions sont encore plus puissantes qu'on ne le pensait auparavant. Plus important encore, notre détection a facilité une vaste campagne de suivi impliquant plus de deux douzaines d'observatoires, offrant des indices importants sur les processus physiques à l'œuvre dans les GRB."
Ceux-ci comprenaient la mission NuSTAR de la NASA, le satellite à rayons X XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne, le télescope spatial Hubble NASA/ESA, en plus de Fermi et Swift, ainsi que de nombreux observatoires au sol. Les images de Hubble acquises en février et mars ont capturé la rémanence optique de la rafale. Ils montrent que l'explosion est originaire d'une galaxie spirale située à environ 4,5 milliards d'années-lumière. Cela signifie que la lumière de ce GRB a commencé à voyager vers nous lorsque l'univers avait les deux tiers de son âge actuel.
Le troisième article présente des observations d'un sursaut différent, que Fermi et Swift ont tous deux découvert le 20 juillet, 2018. Dix heures après leurs alertes, le système stéréoscopique à haute énergie (H.E.S.S.) a pointé sa grande, Télescope gamma de 28 mètres jusqu'à l'emplacement du sursaut, appelé GRB 180720B. Une analyse minutieuse effectuée au cours des semaines qui ont suivi l'événement a révélé que H.E.S.S. ont clairement détecté les rayons gamma VHE avec des énergies allant jusqu'à 440 GeV. Plus remarquable encore, la lueur a continué pendant deux heures après le début de l'observation. Capturer cette émission si longtemps après la détection du GRB est à la fois une surprise et une nouvelle découverte importante.
Les installations au sol ont détecté un rayonnement jusqu'à un billion de fois l'énergie de la lumière visible provenant d'une explosion cosmique appelée sursaut gamma (GRB). Cette illustration montre la configuration pour le type le plus courant. Le noyau d'une étoile massive (à gauche) s'est effondré et a formé un trou noir. Ce "moteur" entraîne un jet de particules qui se déplace à travers l'étoile en train de s'effondrer et dans l'espace à presque la vitesse de la lumière. L'émission rapide, qui dure généralement une minute ou moins, peuvent résulter de l'interaction du jet avec le gaz à proximité du trou noir nouveau-né et des collisions entre les coquilles de gaz en mouvement rapide dans le jet (ondes de choc internes). L'émission de rémanence se produit lorsque le bord d'attaque du jet balaie son environnement (créant une onde de choc externe) et émet un rayonnement à travers le spectre pendant un certain temps - des mois à des années, dans le cas de la radio et de la lumière visible, et de nombreuses heures aux plus hautes énergies de rayons gamma jamais observées. Celles-ci dépassent de loin les 100 milliards d'électrons-volts (GeV) pour deux GRB récents. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA
Les scientifiques soupçonnent que la plupart des rayons gamma des rémanences GRB proviennent de champs magnétiques au bord d'attaque du jet. Les électrons de haute énergie qui se déplacent en spirale dans les champs émettent directement des rayons gamma par le biais d'un mécanisme appelé émission synchrotron.
Mais tant le H.E.S.S. et les équipes MAGIC interprètent l'émission VHE comme une composante de rémanence distincte, ce qui signifie qu'un processus supplémentaire doit être à l'œuvre. Le meilleur candidat, ils disent, est la diffusion Compton inverse. Les électrons à haute énergie dans le jet s'écrasent sur les rayons gamma à basse énergie et les propulsent à des énergies beaucoup plus élevées.
Dans l'article détaillant les observations de Fermi et Swift, les chercheurs concluent qu'un mécanisme physique supplémentaire peut en effet être nécessaire pour produire l'émission VHE. Dans les basses énergies observées par ces missions, cependant, le flot de rayons gamma synchrotron rend la découverte d'un deuxième processus beaucoup plus difficile.
"Avec Fermi et Swift, nous ne voyons pas de preuve directe d'un deuxième composant d'émission, " a déclaré S. Bradley Cenko de Goddard, chercheur principal pour Swift et co-auteur des articles Fermi-Swift et multiwavelength. "Toutefois, si l'émission VHE provient du seul processus synchrotron, alors les hypothèses fondamentales utilisées pour estimer l'énergie de pointe produite par ce mécanisme devront être révisées."
De futures observations de rafales seront nécessaires pour clarifier l'image physique. Les nouvelles données VHE ouvrent une nouvelle voie pour comprendre les GRB, celui qui sera encore prolongé par MAGIC, H.E.S.S. et une nouvelle génération de télescopes gamma au sol est en cours de planification.
