Une fusion explosive d’étoiles à neutrons capturée pour la première fois en lumière millimétrique

Les scientifiques utilisant l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – un observatoire international coopéré par l’Observatoire national de radioastronomie (NRAO) de la National Science Foundation des États-Unis – ont pour la première fois enregistré la lumière à ondes millimétriques d’une explosion de feu causée par le fusion d’une étoile à neutrons avec une autre étoile. L’équipe a également confirmé que ce flash de lumière était l’un des sursauts gamma de courte durée les plus énergétiques jamais observés, laissant derrière lui l’une des rémanences les plus lumineuses jamais enregistrées. Les résultats de la recherche seront publiés dans un prochain numéro de Les lettres du journal astrophysique.

Les sursauts gamma (GRB) sont les explosions les plus brillantes et les plus énergétiques de l’univers, capables d’émettre plus d’énergie en quelques secondes que notre soleil n’en émettra pendant toute sa vie. GRB 211106A appartient à une sous-classe GRB connue sous le nom de sursauts gamma de courte durée. Ces explosions, que les scientifiques croient responsables de la création des éléments les plus lourds de l’univers, tels que le platine et l’or, résultent de la fusion catastrophique de systèmes d’étoiles binaires contenant une étoile à neutrons. « Ces fusions se produisent à cause du rayonnement des ondes gravitationnelles qui enlève de l’énergie de l’orbite des étoiles binaires, provoquant la spirale des étoiles les unes vers les autres », a déclaré Tanmoy Laskar, qui commencera bientôt à travailler en tant que professeur adjoint de physique et d’astronomie au Université d’Utah. « L’explosion qui en résulte est accompagnée de jets se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Lorsqu’un de ces jets est pointé vers la Terre, nous observons une courte impulsion de rayonnement gamma ou un GRB de courte durée. »

Un GRB de courte durée ne dure généralement que quelques dixièmes de seconde. Les scientifiques recherchent alors une rémanence, une émission de lumière causée par l’interaction des jets avec le gaz environnant. Même encore, ils sont difficiles à détecter; seulement une demi-douzaine de GRB de courte durée ont été détectés aux longueurs d’onde radio, et jusqu’à présent aucun n’avait été détecté dans les longueurs d’onde millimétriques. Laskar, qui a dirigé la recherche alors qu’il était boursier d’excellence à l’Université Radboud aux Pays-Bas, a déclaré que la difficulté est l’immense distance jusqu’aux GRB et les capacités technologiques des télescopes. « Les rémanences GRB de courte durée sont très lumineuses et énergétiques. Mais ces explosions ont lieu dans des galaxies lointaines, ce qui signifie que la lumière qu’elles émettent peut être assez faible pour nos télescopes sur Terre. Avant ALMA, les télescopes millimétriques n’étaient pas assez sensibles pour détecter ces rémanences. « 

À environ 20 milliards d’années-lumière de la Terre, GRB 211106A ne fait pas exception. La lumière de ce sursaut gamma de courte durée était si faible que si les premières observations de rayons X avec l’observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA ont vu l’explosion, la galaxie hôte était indétectable à cette longueur d’onde, et les scientifiques n’ont pas été en mesure de déterminer exactement où d’où venait l’explosion. « La lumière rémanente est essentielle pour déterminer de quelle galaxie provient une rafale et pour en savoir plus sur la rafale elle-même. Au départ, alors que seule la contrepartie aux rayons X avait été découverte, les astronomes pensaient que cette rafale pouvait provenir d’une galaxie voisine.  » a déclaré Laskar, ajoutant qu’une quantité importante de poussière dans la zone a également obscurci l’objet de la détection dans les observations optiques avec le télescope spatial Hubble.

Chaque longueur d’onde a ajouté une nouvelle dimension à la compréhension des scientifiques du GRB, et le millimètre, en particulier, était essentiel pour découvrir la vérité sur l’éclatement. « Les observations de Hubble ont révélé un champ immuable de galaxies. La sensibilité inégalée d’ALMA nous a permis de localiser avec plus de précision l’emplacement du GRB dans ce champ, et il s’est avéré qu’il se trouvait dans une autre galaxie faible, qui est plus éloignée. Cela, à son tour , signifie que ce sursaut gamma de courte durée est encore plus puissant que nous ne le pensions au départ, ce qui en fait l’un des plus lumineux et des plus énergiques jamais enregistrés », a déclaré Laskar.

Wen-fai Fong, professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’Université Northwestern, a ajouté : « Ce court sursaut gamma était la première fois que nous essayions d’observer un tel événement avec ALMA. Les rémanences pour les sursauts courts sont très difficiles à trouver, donc Après de nombreuses années d’observation de ces sursauts, cette découverte surprenante ouvre un nouveau domaine d’étude, car elle nous motive à en observer beaucoup plus avec ALMA et d’autres réseaux de télescopes, dans le avenir. »

Joe Pesce, responsable du programme de la National Science Foundation pour NRAO/ALMA, a déclaré : « Ces observations sont fantastiques à plusieurs niveaux. Elles fournissent plus d’informations pour nous aider à comprendre les sursauts gamma énigmatiques (et l’astrophysique des étoiles à neutrons en général), et elles démontrent à quel point les observations multi-longueurs d’onde avec des télescopes spatiaux et terrestres sont importantes et complémentaires pour comprendre les phénomènes astrophysiques. »

Et il reste encore beaucoup de travail à faire sur plusieurs longueurs d’onde, à la fois avec les nouveaux GRB et avec le GRB 211106A, ce qui pourrait révéler des surprises supplémentaires à propos de ces sursauts. « L’étude des GRB de courte durée nécessite la coordination rapide de télescopes dans le monde et dans l’espace, fonctionnant à toutes les longueurs d’onde », a déclaré Edo Berger, professeur d’astronomie à l’Université de Harvard.

« Dans le cas de GRB 211106A, nous avons utilisé certains des télescopes les plus puissants disponibles : ALMA, le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) de la National Science Foundation, l’observatoire Chandra X-ray de la NASA et le télescope spatial Hubble. Le télescope spatial James Webb (JWST), désormais opérationnel, et les futurs télescopes optiques et radio de 20 à 40 mètres, tels que le VLA de nouvelle génération (ngVLA), nous permettront de produire une image complète de ces événements cataclysmiques et de les étudier à des distances sans précédent. « 

Laskar a ajouté : « Avec JWST, nous pouvons désormais prendre un spectre de la galaxie hôte et connaître facilement la distance, et à l’avenir, nous pourrions également utiliser JWST pour capturer les rémanences infrarouges et étudier leur composition chimique. Avec ngVLA, nous pourrons pour étudier la structure géométrique des rémanences et le carburant de formation d’étoiles trouvé dans leurs environnements hôtes avec des détails sans précédent. Je suis enthousiasmé par ces découvertes à venir dans notre domaine.