Après un voyage d'environ deux milliards d'années, les photons d'un sursaut gamma (GRB) extrêmement énergétique ont frappé les capteurs de l'observatoire Neil Gehrels Swift et du télescope spatial Fermi Gamma-Ray le 9 octobre 2022. Le GRB a duré sept minutes mais était visible beaucoup plus longtemps. Même les astronomes amateurs ont repéré la puissante explosion dans les fréquences visibles.
Il était si puissant qu’il affectait l’atmosphère terrestre, un exploit remarquable à plus de deux milliards d’années-lumière. C'est le GRB le plus brillant jamais observé, et depuis lors, les astrophysiciens recherchent sa source.
La NASA affirme que les GRB sont les explosions les plus puissantes de l'univers. Ils ont été détectés pour la première fois à la fin des années 1960 par des satellites américains lancés pour surveiller l’URSS. Les Américains craignaient que les Russes puissent continuer à tester des armes atomiques malgré la signature du Traité d'interdiction des essais nucléaires de 1963.
Aujourd’hui, nous détectons environ un GRB par jour, et ils se trouvent toujours dans des galaxies lointaines. Les astrophysiciens ont eu du mal à les expliquer, émettant différentes hypothèses. Il y a eu tellement de recherches à leur sujet qu'en l'an 2 000, en moyenne 1,5 article sur les GRB étaient publiés quotidiennement dans des revues scientifiques.
De nombreuses causes différentes ont été proposées. Certains pensaient que des GRB pourraient être libérés lorsque des comètes entreraient en collision avec des étoiles à neutrons. D’autres pensaient qu’ils pourraient provenir d’étoiles massives s’effondrant pour devenir des trous noirs. En fait, les scientifiques se demandaient si les quasars, les supernovae, les pulsars et même les amas globulaires pouvaient être à l'origine des GRB ou y être associés d'une manière ou d'une autre.
Les GRB sont déroutants car leurs courbes de lumière sont très complexes. Il n’y en a pas deux identiques. Mais les astrophysiciens ont fait des progrès et ont appris certaines choses. Les GRB de courte durée sont provoqués par la fusion de deux étoiles à neutrons ou par la fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir. Les GRB de plus longue durée sont causés par l'effondrement d'une étoile massive et la formation d'un trou noir.
Nouvelle recherche en Astronomie de la nature a examiné le GRB 221009A ultra-énergétique, surnommé le « B.O.A.T :le plus brillant de tous les temps », et a découvert quelque chose de surprenant. Lors de sa découverte initiale, les scientifiques ont déclaré qu'elle était causée par l'effondrement d'une étoile massive dans un trou noir. La nouvelle recherche ne contredit pas cela. Mais cela présente un nouveau mystère :pourquoi n'y a-t-il aucun élément lourd dans la supernova nouvellement découverte ?
La recherche porte sur la "détection JWST d'une supernova associée au GRB 221009A sans signature de processus r". L'auteur principal est Peter Blanchard, boursier postdoctoral du Centre d'exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA).
"Le GRB était si brillant qu'il a masqué toute signature potentielle de supernova dans les premières semaines et mois après l'éclatement", a déclaré Blanchard. "À ces moments-là, la soi-disant rémanence du GRB était comme les phares d'une voiture venant droit sur vous, vous empêchant de voir la voiture elle-même. Nous avons donc dû attendre qu'elle s'estompe considérablement pour nous donner une chance de voir la supernova."
"Lorsque nous avons confirmé que le GRB avait été généré par l'effondrement d'une étoile massive, cela nous a donné l'occasion de tester une hypothèse sur la façon dont se forment certains des éléments les plus lourds de l'univers", a déclaré l'auteur principal Blanchard.
"Nous n'avons pas vu de signatures de ces éléments lourds, ce qui suggère que les GRB extrêmement énergétiques comme le B.O.A.T. ne produisent pas ces éléments. Cela ne veut pas dire que tous les GRB ne les produisent pas, mais c'est une information clé que nous continuons à comprendre. d'où viennent ces éléments lourds. Les futures observations avec JWST détermineront si les cousins « normaux » du B.O.A.T. produisent ces éléments."
Les scientifiques savent que les explosions de supernova forgent des éléments lourds. Ils constituent une source importante d’éléments allant de l’oxygène (numéro atomique 8) au rubidium (numéro atomique 37) dans le milieu interstellaire. Ils produisent également des éléments plus lourds que cela. Les éléments lourds sont nécessaires à la formation de planètes rocheuses comme la Terre et à la vie elle-même. Mais il est important de noter que les astrophysiciens ne comprennent pas complètement comment les éléments lourds sont produits.
"Cet événement est particulièrement excitant car certains avaient émis l'hypothèse qu'un sursaut gamma lumineux comme le B.O.A.T. pourrait produire beaucoup d'éléments lourds comme l'or et le platine", a déclaré le deuxième auteur Ashley Villar de l'Université Harvard et du Center for Astrophysics | Harvard et Smithsonian. "S'ils avaient raison, le B.O.A.T. aurait dû être une mine d'or. Il est vraiment frappant que nous n'ayons vu aucune preuve de la présence de ces éléments lourds."
Les étoiles forgent des éléments lourds par nucléosynthèse. Trois processus en sont responsables :le processus p, le processus s et le processus r (processus de capture de protons, processus de capture lent de neutrons et processus de capture rapide de neutrons.) Le processus r capture les neutrons plus rapidement que le processus s-. processus et est responsable d’environ la moitié des éléments plus lourds que le fer. Le processus R est également responsable des isotopes les plus stables de ces éléments lourds.
C'est tout pour illustrer l'importance du processus r dans l'univers.
Les chercheurs ont utilisé le JWST pour aller au fond du GRB 221009A. Le GRB a été obscurci par la Voie Lactée, mais le JWST détecte la lumière infrarouge et voit à travers les gaz et la poussière de la Voie Lactée. Le NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) du télescope détecte des éléments comme l'oxygène et le calcium, que l'on trouve généralement dans les supernovae. Mais les signatures n'étaient pas très brillantes, une surprise compte tenu de la luminosité de la supernova.
"Ce n'est pas plus brillant que les supernovae précédentes", a déclaré l'auteur principal Blanchard. "Cela semble assez normal dans le contexte d'autres supernovae associées à des GRB moins énergétiques. On pourrait s'attendre à ce que la même étoile qui s'effondre produisant un GRB très énergétique et brillant produise également une supernova très énergétique et brillante. Mais il s'avère que ce n'est pas le cas. . Nous avons ce GRB extrêmement lumineux, mais une supernova normale."
Confirmer la présence de la supernova a été une étape importante dans la compréhension du GRB 221009A. Mais l'absence de signature r-process est toujours déroutante.
Les scientifiques ont seulement confirmé le processus r dans la fusion de deux étoiles à neutrons, appelé explosion kilonova. Mais il y a trop peu de fusions d'étoiles à neutrons pour expliquer l'abondance d'éléments lourds.
"Il existe probablement une autre source", a déclaré Blanchard. "La fusion des étoiles à neutrons binaires prend beaucoup de temps. Deux étoiles dans un système binaire doivent d'abord exploser pour laisser derrière elles des étoiles à neutrons. Ensuite, cela peut prendre des milliards et des milliards d'années pour que les deux étoiles à neutrons se rapprochent lentement et se rapprocher et finalement fusionner. Mais les observations d'étoiles très anciennes indiquent que des parties de l'univers ont été enrichies en métaux lourds avant que la plupart des étoiles à neutrons binaires n'aient eu le temps de fusionner.
Les chercheurs se demandent si de telles supernovas lumineuses peuvent expliquer le reste. Les supernovae possèdent une couche interne où des éléments plus lourds pourraient être synthétisés. Mais cette couche est obscurcie. Ce n'est qu'une fois que les choses se sont calmées que la couche interne est visible.
"Le matériau explosé de l'étoile est opaque au début, de sorte que vous ne pouvez voir que les couches externes", a déclaré Blanchard. "Mais une fois qu'il se dilate et refroidit, il devient transparent. Vous pouvez alors voir les photons provenant de la couche interne de la supernova."
Tous les éléments ont des signatures spectroscopiques et le NIRSpec du JWST est un instrument très performant. Mais il n'a pas pu détecter d'éléments plus lourds, même dans la couche interne de la supernova.
"En examinant le spectre du B.O.A.T.", nous n'avons vu aucune signature d'éléments lourds, ce qui suggère que des événements extrêmes comme GRB 221009A ne sont pas des sources primaires", a déclaré l'auteur principal Blanshard. "C'est une information cruciale alors que nous continuons à essayer de déterminer où les éléments les plus lourds se forment."
Les scientifiques sont encore incertains quant au GRB et à son manque d’éléments lourds. Mais il existe une autre fonctionnalité qui pourrait offrir un indice :les jets.
"Un deuxième site proposé pour le processus r se situe dans les noyaux d'étoiles massives en rotation rapide qui s'effondrent dans un trou noir en accumulation, produisant des conditions similaires à celles qui résultent d'une fusion de BNS", écrivent les auteurs dans leur article. "Les simulations théoriques suggèrent que les sorties de disques d'accrétion dans ces soi-disant 'effondrements' pourraient atteindre l'état riche en neutrons requis pour que le processus r se produise."
Les flux sortants du disque d’accrétion auxquels font référence les chercheurs sont des jets relativistes. Plus les jets sont étroits, plus leur énergie est brillante et concentrée.
"C'est comme concentrer le faisceau d'une lampe de poche sur une colonne étroite, par opposition à un faisceau large qui traverse tout un mur", a déclaré Laskar. "En fait, il s'agissait de l'un des jets les plus étroits observés jusqu'à présent pour un sursaut gamma, ce qui nous donne une idée de la raison pour laquelle la rémanence est apparue aussi brillante. Il peut y avoir d'autres facteurs responsables également, une question qui les chercheurs étudieront pendant des années."
Les chercheurs ont également utilisé NIRSpec pour recueillir un spectre de la galaxie hôte du GRB. Elle possède la métallicité la plus faible de toutes les galaxies connues pour héberger un GRB. Cela pourrait-il être un facteur ?
"Il s'agit de l'un des environnements de métallicité les plus faibles de tous les LGRB, qui sont une classe d'objets qui préfèrent les galaxies à faible métallicité, et c'est, à notre connaissance, l'environnement de métallicité la plus faible d'un GRB-SN à ce jour", écrivent les auteurs. dans leurs recherches. "Cela peut suggérer qu'une très faible métallicité est nécessaire pour produire un GRB très énergétique."
"Le spectre montre des signes de formation d'étoiles, suggérant que l'environnement de naissance de l'étoile d'origine peut être différent des événements précédents", a déclaré Blanshard.
Yijia Li est étudiante diplômée à Penn State et co-auteur de l'article. "C'est un autre aspect unique du B.O.A.T. qui peut aider à expliquer ses propriétés", a déclaré Li. "L'énergie libérée dans le B.O.A.T. était complètement hors du commun, l'un des événements les plus énergétiques que les humains aient jamais vus. Le fait qu'il semble également naître d'un gaz quasi primordial peut être un indice important pour comprendre ses propriétés superlatives. "
Il s’agit d’un autre cas où la résolution d’un mystère en mène à un autre sans réponse. Le JWST a été lancé pour répondre à certaines de nos questions fondamentales sur l’univers. En confirmant qu'une supernova est à l'origine du GRB le plus puissant jamais détecté, elle a accompli une partie de son travail.
Mais il a également découvert un autre mystère et nous a encore une fois laissé en suspens.
Le JWST fonctionne comme prévu.
Plus d'informations : Peter K. Blanchard et al, Détection JWST d'une supernova associée à GRB 221009A sans signature de processus r, Nature Astronomy (2024). DOI :10.1038/s41550-024-02237-4
Informations sur le journal : Astronomie de la nature
Fourni par Universe Today
