Des chercheurs confirment que le sursaut gamma le plus brillant de tous les temps provient de l’effondrement d’une étoile massive

En octobre 2022, une équipe internationale de chercheurs, comprenant des astrophysiciens de l’Université Northwestern, a observé le sursaut gamma (GRB) le plus brillant jamais enregistré, GRB 221009A.

Aujourd’hui, une équipe dirigée par Northwestern a confirmé que le phénomène responsable de cette explosion historique, surnommée le BOAT (« le plus brillant de tous les temps »), est l’effondrement puis l’explosion d’une étoile massive. L’équipe a découvert l’explosion, ou supernova, à l’aide du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA.

Tandis que cette découverte résout un mystère, un autre mystère s’approfondit.

Les chercheurs ont émis l’hypothèse que des preuves de la présence d’éléments lourds, tels que le platine et l’or, pourraient résider dans la supernova nouvellement découverte. Les recherches approfondies n’ont cependant pas permis de retrouver la signature qui accompagne ces éléments. L’origine des éléments lourds dans l’univers reste l’une des plus grandes questions ouvertes en astronomie.

La recherche est publiée dans la revue Astronomie naturelle.

« 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 Peter Blanchard de Northwestern, qui a dirigé l’étude.

« Nous n’avons pas vu de signatures de ces éléments lourds, ce qui suggère que les GRB extrêmement énergétiques comme le BOAT 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 BOAT produisent ces éléments.

Naissance du BATEAU

Lorsque sa lumière a balayé la Terre le 9 octobre 2022, le BOAT était si brillant qu’il a saturé la plupart des détecteurs de rayons gamma du monde. La puissante explosion s’est produite à environ 2,4 milliards d’années-lumière de la Terre, en direction de la constellation de la Sagitta et a duré quelques centaines de secondes. Alors que les astronomes se précipitaient pour observer l’origine de ce phénomène incroyablement brillant, ils ont immédiatement été frappés par un sentiment de crainte.

« Tant que nous avons pu détecter les GRB, il ne fait aucun doute que ce GRB est le plus brillant que nous ayons jamais observé, d’un facteur 10 ou plus », a déclaré Wen-fai Fong, professeur agrégé de physique et d’astronomie à Weinberg, dans le Northwestern. Collège des Arts et des Sciences et membre du CIERA, disait-il à l’époque.

« L’événement a produit certains des photons les plus énergétiques jamais enregistrés par des satellites conçus pour détecter les rayons gamma », a déclaré Blanchard. « C’est un événement que la Terre n’observe qu’une fois tous les 10 000 ans. Nous avons la chance de vivre à une époque où nous disposons de la technologie nécessaire pour détecter ces sursauts qui se produisent à travers l’univers. C’est tellement excitant d’observer un phénomène astronomique aussi rare que le BOAT et travailler à comprendre la physique derrière cet événement exceptionnel. »

Une supernova « normale »

Plutôt que d’observer l’événement immédiatement, Blanchard, son proche collaborateur Ashley Villar de l’Université Harvard et leur équipe ont souhaité observer le GRB au cours de ses phases ultérieures. Environ six mois après la détection initiale du GRB, Blanchard a utilisé le JWST pour examiner ses conséquences.

« 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.

Blanchard a utilisé le spectrographe proche infrarouge du JWST pour observer la lumière de l’objet aux longueurs d’onde infrarouges. C’est à ce moment-là qu’il a découvert la signature caractéristique d’éléments comme le calcium et l’oxygène que l’on trouve généralement dans une supernova. Étonnamment, il n’était pas exceptionnellement brillant, comme le GRB incroyablement brillant qui l’accompagnait.

« Ce n’est pas plus brillant que les supernovae précédentes », a déclaré 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. « 

Manquant : éléments lourds

Après avoir confirmé pour la première fois la présence de la supernova, Blanchard et ses collaborateurs ont ensuite recherché des preuves de la présence d’éléments lourds à l’intérieur de celle-ci. Actuellement, les astrophysiciens ont une image incomplète de tous les mécanismes de l’univers capables de produire des éléments plus lourds que le fer.

Le principal mécanisme de production d’éléments lourds, le processus de capture rapide des neutrons, nécessite une concentration élevée de neutrons. Jusqu’à présent, les astrophysiciens n’ont confirmé la production d’éléments lourds via ce processus que lors de la fusion de deux étoiles à neutrons, une collision détectée par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en 2017.

Mais les scientifiques affirment qu’il doit exister d’autres moyens de produire ces matériaux insaisissables. Il y a tout simplement trop d’éléments lourds dans l’univers et trop peu de fusions d’étoiles à neutrons.

« 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 plus près et enfin fusionner.

« Mais les observations d’étoiles très anciennes indiquent que certaines 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. Cela nous oriente vers une voie alternative. »

Les astrophysiciens ont émis l’hypothèse que des éléments lourds pourraient également être produits par l’effondrement d’une étoile massive en rotation rapide, le type exact d’étoile qui a généré le BOAT. À l’aide du spectre infrarouge obtenu par le JWST, Blanchard a étudié les couches internes de la supernova, où la des éléments lourds devraient se former.

« 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. »

« De plus, différents éléments absorbent et émettent des photons à différentes longueurs d’onde, en fonction de leur structure atomique, donnant à chaque élément une signature spectrale unique », a expliqué Blanchard. « Par conséquent, l’examen du spectre d’un objet peut nous indiquer quels éléments sont présents. En examinant le spectre du BOAT, 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. Il s’agit d’informations cruciales alors que nous continuons. pour essayer de déterminer où se forment les éléments les plus lourds. »

Pourquoi si brillant ?

Pour distinguer la lumière de la supernova de celle de la rémanence brillante qui l’a précédée, les chercheurs ont associé les données du JWST aux observations du grand réseau millimétrique/submillimétrique d’Atacama (ALMA) au Chili.

« Même plusieurs mois après la découverte de l’explosion, la rémanence était suffisamment brillante pour apporter beaucoup de lumière dans le spectre JWST », a déclaré Tanmoy Laskar, professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’Université de l’Utah et co-auteur de l’étude. étude.

« La combinaison des données des deux télescopes nous a aidés à mesurer exactement la luminosité de la rémanence au moment de nos observations JWST et nous a permis d’extraire soigneusement le spectre de la supernova. »

Bien que les astrophysiciens n’aient pas encore découvert comment une supernova « normale » et un GRB record ont été produits par la même étoile effondrée, Laskar a déclaré que cela pourrait être lié à la forme et à la structure des jets relativistes. Lorsqu’elles tournent rapidement, les étoiles massives s’effondrent en trous noirs, elles produisent des jets de matière qui se lancent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Si ces jets sont étroits, ils produisent un faisceau de lumière plus concentré et plus brillant.

« 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. »

Des indices supplémentaires pourraient également provenir d’études futures sur la galaxie dans laquelle le BOAT s’est produit. « En plus d’un spectre du BOAT lui-même, nous avons également obtenu un spectre de sa galaxie » hôte «  », a déclaré Blanchard. « Le spectre montre des signes de formation intense d’étoiles, suggérant que l’environnement de naissance de l’étoile d’origine peut être différent des événements précédents. »

Yijia Li, membre de l’équipe et étudiant diplômé de Penn State, a modélisé le spectre de la galaxie et a découvert que la galaxie hôte du BOAT possède la métallicité la plus faible, une mesure de l’abondance d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, de toutes les galaxies hôtes GRB précédentes. « C’est un autre aspect unique du BOAT qui peut aider à expliquer ses propriétés », a déclaré Li.

Ce travail est basé sur des observations réalisées avec le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA.

Blanchard est chercheur postdoctoral au Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA) de Northwestern, où il étudie les supernovae superlumineuses et les GRB. L’étude comprend des co-auteurs du Center for Astrophysics | Harvard et Smithsonian ; Université de l’Utah ; État de Penn ; Université de Californie, Berkeley; Université Radbound aux Pays-Bas ; Institut scientifique du télescope spatial ; Université de l’Arizona/Observatoire Steward ; Université de Californie, Santa Barbara ; Université de Colombie ; Institut Flatiron ; Université de Greifswald et Université de Guelph.