La vue au premier rang révèle une explosion cosmique exceptionnelle

L’observation remet en cause la théorie établie des sursauts gamma dans l’univers.

Les scientifiques ont obtenu la meilleure vue à ce jour des explosions les plus brillantes de l’univers : un observatoire spécialisé en Namibie a enregistré le rayonnement le plus énergétique et la plus longue rémanence de rayons gamma d’un sursaut gamma (GRB) à ce jour. Les observations avec le système stéréoscopique à haute énergie (HESS) remettent en question l’idée établie de la façon dont les rayons gamma sont produits dans ces explosions stellaires colossales qui sont les cris de naissance des trous noirs, comme le rapporte l’équipe internationale dans la revue Science.

« Les sursauts gamma sont des flashs lumineux de rayons X et gamma observés dans le ciel, émis par des sources extragalactiques distantes », explique Sylvia Zhu, scientifique de DESY, l’une des auteurs de l’article. «Ce sont les plus grandes explosions de l’univers et associées à l’effondrement d’une étoile massive en rotation rapide en un trou noir. Une fraction de l’énergie gravitationnelle libérée alimente la production d’une onde de choc ultrarelativiste. Leur émission est divisée en deux phases distinctes : une phase initiale chaotique d’une durée de quelques dizaines de secondes, suivie d’une phase de rémanence longue durée qui s’estompe en douceur.

Le 29 août 2019, les satellites Fermi et Swift ont détecté un sursaut gamma dans la constellation de l’Éridan. L’événement, catalogué comme GRB 190829A selon sa date d’occurrence, s’est avéré être l’un des sursauts gamma les plus proches observés jusqu’à présent, avec une distance d’environ un milliard d’années-lumière. À titre de comparaison : le sursaut gamma typique se trouve à environ 20 milliards d’années-lumière. « Nous étions vraiment assis au premier rang lorsque ce sursaut de rayons gamma s’est produit », explique le co-auteur Andrew Taylor de DESY. L’équipe a immédiatement capté la rémanence de l’explosion lorsqu’elle est devenue visible par les télescopes HESS. « Nous avons pu observer la rémanence pendant plusieurs jours et à des énergies de rayons gamma sans précédent », rapporte Taylor.

La distance relativement courte de ce sursaut gamma a permis des mesures détaillées du spectre de la rémanence, qui est la distribution des « couleurs » ou des énergies photoniques du rayonnement, dans la plage d’énergie très élevée. « Nous pourrions déterminer le spectre du GRB 190829A jusqu’à une énergie de 3,3 téra-électronvolts, soit environ mille milliards de fois plus énergétique que les photons de la lumière visible », explique la co-auteure Edna Ruiz-Velasco de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg. . « C’est ce qui est si exceptionnel à propos de ce sursaut de rayons gamma – cela s’est produit dans notre arrière-cour cosmique où les photons de très haute énergie n’ont pas été absorbés lors de collisions avec la lumière de fond sur leur chemin vers la Terre, comme cela se produit sur de plus grandes distances dans le cosmos . « 

L’équipe pourrait suivre la rémanence jusqu’à trois jours après l’explosion initiale. Le résultat a été une surprise : « Nos observations ont révélé de curieuses similitudes entre l’émission de rayons X et de rayons gamma à très haute énergie de la rémanence du sursaut », rapporte Zhu. Les théories établies supposent que les deux composantes d’émission doivent être produites par des mécanismes distincts : la composante de rayons X provient d’électrons ultra-rapides qui sont déviés dans les champs magnétiques puissants de l’environnement du sursaut. Ce processus « synchrotron » est assez similaire à la façon dont les accélérateurs de particules sur Terre produisent des rayons X brillants pour les recherches scientifiques.

Cependant, selon les théories existantes, il semblait très peu probable que même les explosions les plus puissantes de l’univers puissent accélérer suffisamment les électrons pour produire directement les rayons gamma de très haute énergie observés via ce processus synchrotron. Cela est dû à une « limite de combustion », qui est déterminée par l’équilibre de l’accélération et du refroidissement des particules dans un accélérateur. La production de rayons gamma de très haute énergie par rayonnement synchrotron nécessite des électrons dont l’énergie dépasse largement la limite de combustion. Au lieu de cela, les théories actuelles supposent que dans un sursaut de rayons gamma, des électrons rapides entrent en collision avec des photons synchrotron et les élèvent ainsi à des énergies de rayons gamma dans un processus appelé auto-Compton synchrotron.

Mais les observations de la rémanence du GRB 190829A montrent maintenant que les deux composants, rayons X et rayons gamma, se sont estompés de manière synchronisée. De plus, le spectre des rayons gamma correspondait clairement à une extrapolation du spectre des rayons X. Ensemble, ces résultats sont une forte indication que les rayons X et les rayons gamma de très haute énergie dans cette rémanence ont été produits par le même mécanisme. « Il est plutôt inattendu d’observer des caractéristiques spectrales et temporelles aussi remarquablement similaires dans les bandes d’énergie des rayons X et des rayons gamma à très haute énergie, si l’émission dans ces deux gammes d’énergie avait des origines différentes », explique le co-auteur Dmitry Khangulyan de Université Rikkyo à Tokyo. Cela pose un défi pour l’origine synchrotron auto-Compton de l’émission de rayons gamma à très haute énergie.

L’implication de grande envergure de cette possibilité met en évidence la nécessité de poursuivre les études sur l’émission de rémanence GRB à très haute énergie. GRB 190829A n’est que le quatrième sursaut gamma détecté à très haute énergie depuis le sol. Cependant, les premières explosions détectées se sont produites beaucoup plus loin dans le cosmos et leur rémanence n’a pu être observée que pendant quelques heures chacune et non à des énergies supérieures à 1 téra-électronvolt (TeV). « En regardant vers l’avenir, les perspectives de détection des sursauts gamma par des instruments de nouvelle génération comme le réseau de télescopes Cherenkov, actuellement en construction dans les Andes chiliennes et sur l’île canarienne de La Palma, semblent prometteuses », a déclaré le porte-parole de la HESS. Stefan Wagner du Landessternwarte Heidelberg. « L’abondance générale des sursauts gamma nous amène à penser que les détections régulières dans la bande des très hautes énergies deviendront assez courantes, nous aidant à comprendre pleinement leur physique. »

Plus de 230 scientifiques de 41 instituts dans 15 pays (Namibie, Afrique du Sud, Allemagne, France, Royaume-Uni, Irlande, Italie, Autriche, Pays-Bas, Pologne, Suède, Arménie, Japon, Chine et Australie), comprenant la collaboration internationale HESS , a contribué à cette recherche. HESS est un système de cinq télescopes d’imagerie atmosphérique Cherenkov qui étudie les rayons gamma cosmiques. Le nom HESS signifie High Energy Stereoscopic System, et est également destiné à rendre hommage à Victor Franz Hess, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1936 pour sa découverte du rayonnement cosmique. HESS est situé en Namibie, près de la montagne Gamsberg, une région bien connue pour son excellente qualité optique. Quatre télescopes HESS sont entrés en service en 2002/2003, le cinquième télescope beaucoup plus grand – HESS II – est opérationnel depuis juillet 2012, étendant la couverture énergétique vers les énergies plus basses et améliorant encore la sensibilité. En 2015-2016, les caméras des quatre premiers télescopes HESS ont été entièrement rénovées en utilisant une électronique de pointe et en particulier la puce de lecture NECTAr conçue pour la prochaine grande expérience sur le terrain, le Cherenkov Telescope Array (CTA), pour laquelle le data science management center sera hébergé par DESY sur son site de Zeuthen.

Référence:

Collaboration HESS. « Révéler les similitudes temporelles et spectrales des rayons X et gamma dans la rémanence GRB 190829A« . La science 372.6546 (2021) : p. 1081-1085.

La source: DESY