Les mystères du cosmos continuent d’étonner les astronomes, et chaque nouvelle observation est une chance d’approfondir – ou de bouleverser – notre compréhension de l’univers.
Dans le numéro du 7 décembre de la revue La nature, une équipe internationale d’astrophysiciens rapporte la découverte d’un sursaut gamma cosmologique (GRB) unique qui défie les théories dominantes sur la formation des violentes explosions cosmiques. Ce sursaut « excentrique » a conduit l’équipe à proposer un nouveau modèle, ou source, pour certains types de GRB.
Les sursauts gamma sont les explosions les plus lumineuses et les plus violentes de l’univers. Ils signifient la mort d’étoiles ou des collisions de restes stellaires. Les GRB observés sont généralement classés en deux catégories : les GRB de courte ou de longue durée. Les GRB longs proviennent de la mort d’étoiles massives et sont généralement associés à des transitoires optiques brillants appelés supernovae. Les GRB courts ont une durée de moins de deux secondes et proviennent des collisions de deux étoiles à neutrons ou d’une étoile à neutrons et d’un trou noir, et sont généralement associés à des transitoires optiques plus faibles appelés kilonovae.
Pendant des décennies, les GRB se sont bien blottis dans ces catégories douillettes. Jusqu’ici.
Le 11 décembre 2021, un GRB a déclenché plusieurs détecteurs de rayons gamma dans l’espace, dont le télescope à rayons gamma Fermi de la NASA et l’observatoire Neil Gehrels Swift. Cette rafale, d’une durée de près de 70 secondes, serait généralement considérée comme un GRB long normal. C’est-à-dire jusqu’à ce que plusieurs équipes des États-Unis et d’Europe effectuent des observations de suivi et découvrent une signature surprenante.
« Ce GRB comprend deux parties : un pic dur de 13 secondes et une émission prolongée plus douce de 55 secondes », a déclaré Bin-Bin Zhang, ancien élève de l’UNLV et auteur correspondant de l’étude, qui travaille actuellement à l’Université chinoise de Nanjing. « La durée du pic dur de 13 secondes aurait dû exclure complètement cette rafale de la catégorie GRB courte. »
En d’autres termes, au lieu de montrer une supernova beaucoup plus brillante, comme prévu, l’observation était cohérente avec une kilonova qui est plus généralement associée à un GRB court.
« Un GRB aussi particulier a été le premier du genre jamais détecté », a déclaré Bing Zhang, professeur d’astrophysique à l’UNLV, co-auteur correspondant de l’étude. La nature papier. « Cette découverte a non seulement remis en question notre compréhension des origines des GRB, mais elle nous oblige également à envisager un nouveau modèle de formation de certains GRB. »
L’équipe de recherche pense que ce GRB unique, connu sous le nom de GRB 211211A, s’est probablement formé par collision entre une étoile à neutrons et une naine blanche, ce que l’on appelle une fusion WD-NS.
Les naines blanches sont des objets de la taille de la Terre qui se forment à la suite de la mort d’étoiles de faible masse, celles dont la masse est inférieure à celle d’environ huit de nos Soleils. Les étoiles à neutrons se forment lorsque des étoiles plus massives, celles dont la masse est comprise entre 8 et 20 soleils environ, meurent. Lorsque des étoiles encore plus grandes meurent, elles forment directement des trous noirs.
Les étoiles massives à faible densité produisent des GRB de longue durée, tandis que les étoiles à haute densité, y compris les étoiles à neutrons, produisent des GRB de courte durée. Selon Zhang de l’UNLV, les naines blanches ont des densités intermédiaires, ce qui en fait des origines idéales pour le type de GRB découvert en 2021 car il affiche une durée moyennement longue sans impliquer d’étoile massive.
« Malgré le nombre relativement important de GRB observés chaque année, la signature unique de GRB 211211A a repoussé les limites de nos systèmes catégoriels actuels et a nécessité une nouvelle façon de penser », a déclaré Zhang. « Après un examen minutieux, le seul scénario de fusion qui avait du sens était celui d’une naine blanche et d’une étoile à neutrons. »
Shunke Ai, doctorant à l’UNLV, et un étudiant de l’Université de Nanjing ont collaboré pour développer un modèle détaillé permettant d’interpréter la signature kilonova particulière observée par GRB 211211A. Ai a découvert que si une fusion WD-NS laisse derrière elle une étoile à neutrons à rotation rapide, connue sous le nom de magnétar, l’injection d’énergie supplémentaire du magnétar combinée à l’énergie de réaction nucléaire du matériau projeté pendant l’éclatement peut expliquer l’émission de kilonova observée pour GRB 211211A.
L’étude, « Un sursaut gamma de longue durée avec une origine particulière« , paru le 7 décembre dans le journal La nature. L’article comprend 10 co-auteurs de 4 institutions, l’UNLV et l’Université de Nanjing étant les institutions principales. Publiés dans le même numéro, trois articles parallèles rapportent la détection de la kilonova. Cet article se concentre sur l’émission particulière de rayons gamma elle-même et propose le modèle de fusion WD-NS pour interpréter les données.
Plus d’information:
Jun Yang et al, Un sursaut gamma de longue durée avec une origine particulière, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05403-8