Le 26 août, 2020, Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a détecté une impulsion de rayonnement de haute énergie qui s'était précipitée vers la Terre pendant près de la moitié de l'âge actuel de l'univers. Ne dure qu'une seconde environ, il s'est avéré qu'il s'agissait du plus court sursaut gamma (GRB) causé par la mort d'une étoile massive jamais vu.

Les GRB sont les événements les plus puissants de l'univers, détectable à travers des milliards d'années-lumière. Les astronomes les classent comme longs ou courts selon que l'événement dure plus ou moins de deux secondes. Ils observent de longs sursauts associés à la disparition d'étoiles massives, tandis que de courtes rafales ont été liées à un scénario différent.

"Nous savions déjà que certains GRB d'étoiles massives pouvaient s'enregistrer comme des GRB courts, mais nous pensions que cela était dû à des limitations instrumentales, " a déclaré Bin-bin Zhang à l'Université de Nanjing en Chine et à l'Université du Nevada, Las Vegas. "Cette rafale est spéciale car il s'agit bien d'un GRB de courte durée, mais ses autres propriétés indiquent son origine à partir d'une étoile en train de s'effondrer. Maintenant, nous savons que les étoiles mourantes peuvent produire de courtes rafales, trop."

Nommé GRB 200826A, après la date à laquelle il s'est produit, l'éclatement fait l'objet de deux articles publiés dans Astronomie de la nature le lundi, 26 juillet. Le premier, dirigé par Zhang, explore les données de rayons gamma. La deuxième, dirigé par Tomás Ahumada, doctorant à l'Université du Maryland, College Park et le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, décrit la rémanence de plusieurs longueurs d'onde du GRB et la lumière émergente de l'explosion de supernova qui a suivi.

"Nous pensons que cet événement a effectivement été un échec, celui qui était sur le point de ne pas se produire du tout, » dit Ahumada. « Même ainsi, le sursaut a émis 14 millions de fois l'énergie libérée par toute la galaxie de la Voie lactée sur le même laps de temps, ce qui en fait l'un des GRB de courte durée les plus énergiques jamais vus."

Lorsqu'une étoile beaucoup plus massive que le Soleil manque de carburant, son noyau s'effondre soudainement et forme un trou noir. Alors que la matière tourbillonne vers le trou noir, une partie s'échappe sous la forme de deux jets puissants qui se précipitent vers l'extérieur à presque la vitesse de la lumière dans des directions opposées. Les astronomes ne détectent un GRB que lorsque l'un de ces jets pointe presque directement vers la Terre.

Chaque jet perce l'étoile, produisant une impulsion de rayons gamma - la forme de lumière la plus énergétique - qui peut durer jusqu'à quelques minutes. Suite à l'éclatement, l'étoile perturbée se développe alors rapidement en supernova.

GRB courts, d'autre part, se forment lorsque des paires d'objets compacts, comme des étoiles à neutrons, qui se forment également lors de l'effondrement stellaire - spirale vers l'intérieur sur des milliards d'années et se heurtent. Les observations de Fermi ont récemment permis de montrer que, dans les galaxies voisines, fusées géantes isolées, les étoiles à neutrons supermagnétisées se déguisent également en GRB courts.

GRB 200826A était une explosion d'émissions à haute énergie d'une durée de seulement 0,65 seconde. Après avoir voyagé pendant des éons à travers l'univers en expansion, le signal avait duré environ une seconde lorsqu'il a été détecté par le moniteur de rafales gamma de Fermi. L'événement est également apparu dans les instruments à bord de la mission Wind de la NASA, qui orbite autour d'un point entre la Terre et le Soleil situé vers 930, 000 miles (1,5 million de kilomètres) de distance, et l'Odyssée de Mars, qui orbite autour de la planète rouge depuis 2001. Le satellite INTEGRAL de l'ESA (Agence spatiale européenne) a également observé l'explosion.

Toutes ces missions participent à un système de localisation GRB appelé le réseau interplanétaire (IPN), pour lequel le projet Fermi fournit tous les financements américains. Étant donné que la rafale atteint chaque détecteur à des moments légèrement différents, n'importe quelle paire d'entre eux peut être utilisée pour aider à déterminer où dans le ciel cela s'est produit. Environ 17 heures après le GRB, l'IPN a réduit son emplacement à une portion de ciel relativement petite dans la constellation d'Andromède.

En utilisant la Zwicky Transient Facility (ZTF) financée par la National Science Foundation à l'observatoire de Palomar, l'équipe a scanné le ciel à la recherche de changements dans la lumière visible qui pourraient être liés à la rémanence de la décoloration du GRB.

« Mener cette recherche revient à essayer de trouver une aiguille dans une botte de foin, mais l'IPN aide à réduire la botte de foin, " a déclaré Shreya Anand, un étudiant diplômé à Caltech et un co-auteur sur le papier afterglow. « Sur plus de 28, 000 alertes ZTF la première nuit, un seul répondait à tous nos critères de recherche et apparaissait également dans la région du ciel définie par l'IPN."

Moins d'un jour après l'éclatement, L'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA a découvert une émission de rayons X en déclin à partir de ce même endroit. Quelques jours plus tard, une émission radio variable a été détectée par le Karl Jansky Very Large Array de l'Observatoire national de radioastronomie au Nouveau-Mexique. L'équipe a ensuite commencé à observer la rémanence avec une variété d'installations au sol.

En observant la faible galaxie associée au sursaut à l'aide du Gran Telescopio Canarias, un télescope de 10,4 mètres à l'observatoire Roque de los Muchachos à La Palma dans les îles Canaries en Espagne, l'équipe a montré que sa lumière met 6,6 milliards d'années pour nous atteindre. C'est 48% de l'âge actuel de l'univers de 13,8 milliards d'années.

Mais pour prouver que cette courte rafale est venue d'une étoile qui s'effondre, les chercheurs devaient également attraper la supernova émergente.

"Si l'éclatement a été causé par une étoile qui s'effondre, puis une fois que la rémanence s'estompe, elle devrait s'éclaircir à nouveau à cause de l'explosion de la supernova sous-jacente, " dit Léo Singer, un astrophysicien Goddard et conseiller de recherche d'Ahumada. "Mais à ces distances, vous avez besoin d'un télescope très grand et très sensible pour repérer la lumière de la supernova à partir de l'éblouissement de fond de sa galaxie hôte."

Pour effectuer la recherche, Singer a obtenu du temps sur le télescope Gemini North de 8,1 mètres à Hawaï et l'utilisation d'un instrument sensible appelé Gemini Multi-Object Spectrograph. Les astronomes ont imagé la galaxie hôte en lumière rouge et infrarouge à partir de 28 jours après le sursaut, répéter la recherche 45 et 80 jours après l'événement. Ils ont détecté une source proche infrarouge - la supernova - dans la première série d'observations qui n'a pas pu être vue dans les suivantes.

Les chercheurs soupçonnent que cette rafale a été propulsée par des jets qui ont à peine émergé de l'étoile avant de s'éteindre, au lieu du cas plus typique où des jets de longue durée jaillissent de l'étoile et parcourent des distances considérables de celle-ci. Si le trou noir avait tiré des jets plus faibles, ou si l'étoile était beaucoup plus grosse lorsqu'elle a commencé son effondrement, il n'y a peut-être pas eu de GRB du tout.

La découverte aide à résoudre une énigme de longue date. Alors que les GRB longs doivent être couplés aux supernovae, les astronomes détectent un nombre bien plus important de supernovae que de longs GRB. Cet écart persiste même après avoir tenu compte du fait que les jets GRB doivent basculer presque dans notre champ de vision pour que les astronomes puissent les détecter.

Les chercheurs concluent que les étoiles qui s'effondrent produisant des GRB courts doivent être des cas marginaux dont les jets à la vitesse de la lumière vacillent au bord du succès ou de l'échec, une conclusion conforme à l'idée que la plupart des étoiles massives meurent sans produire de jets ni de GRB. Plus généralement, ce résultat démontre clairement que la durée d'une rafale à elle seule n'indique pas uniquement son origine.