Les astronomes utilisant le JWST de la NASA et d’autres télescopes ont détecté un sursaut gamma brillant provenant d’une collision d’étoiles à neutrons, conduisant à la première observation directe de métaux lourds comme le tellure dans l’espace. Cette découverte met en lumière les origines des éléments lourds dans l’univers.
À l’aide de plusieurs observatoires, les astronomes détectent directement le tellure dans deux étoiles à neutrons en fusion.
Un extraordinaire éclat de lumière à haute énergie dans le ciel a dirigé les astronomes vers une paire d’étoiles à neutrons forgeant du métal à 900 millions d’années-lumière de la Terre.
Dans une étude publiée récemment dans Natureune équipe internationale d’astronomes, comprenant des scientifiques de MIT, rapporte la détection d’un sursaut gamma (GRB) extrêmement brillant, qui est le type d’explosion le plus puissant connu dans l’univers. Ce GRB particulier est le deuxième plus brillant détecté jusqu’à présent, et les astronomes ont ensuite retracé l’origine de l’explosion jusqu’à la fusion de deux étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons sont les noyaux effondrés et ultradenses d’étoiles massives et on pense que c’est là que de nombreux métaux lourds de l’univers sont forgés.
Preuve de la présence de métaux lourds dans l’espace
L’équipe a découvert que lorsque les étoiles tournaient autour les unes des autres et finissaient par fusionner, elles dégageaient une énorme quantité d’énergie sous la forme du GRB. Et, pour la première fois, les astronomes ont directement détecté des signes de métaux lourds à la suite des étincelles stellaires. Plus précisément, ils ont capté un signal clair de tellure, un élément lourd et légèrement toxique qui est plus rare que le platine sur Terre mais que l’on pense être abondant dans tout l’univers.
Deux étoiles à neutrons commencent à fusionner dans le concept de cet artiste, projetant des jets de particules à grande vitesse et produisant un nuage de débris. Crédit : A. Simonnet (Sonoma State University) et Goddard Space Flight Center
Les astronomes estiment que la fusion a dégagé suffisamment de tellure pour égaler la masse de 300 Terres. Et si le tellure est présent, la fusion a dû produire d’autres éléments étroitement liés, tels que l’iode, qui est un nutriment minéral essentiel à la vie sur Terre.
Efforts astronomiques mondiaux
La découverte a été réalisée grâce aux efforts collectifs des astronomes du monde entier, utilisant le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA ainsi que d’autres télescopes terrestres et spatiaux, notamment le satellite TESS de la NASA (une mission dirigée par le MIT) et le Very Large Telescope ( VLT) au Chili, que les scientifiques du MIT ont utilisé pour contribuer à la découverte.
« Cette découverte constitue une avancée majeure dans notre compréhension des sites de formation des éléments lourds dans l’univers et démontre le pouvoir de la combinaison d’observations dans différentes longueurs d’onde pour révéler de nouvelles informations sur ces explosions extrêmement énergétiques », déclare Benjamin Schneider, co-auteur de l’étude. un postdoctorant à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT.
Schneider est l’un des nombreux chercheurs de plusieurs institutions à travers le monde qui ont contribué à l’étude, dirigée par Andrew Levan de l’Université Radboud aux Pays-Bas et aux Pays-Bas. Université de Warwick au Royaume-Uni.
« Tout d’un coup »
La première rafale a été détectée le 7 mars 2023 par NASALe télescope spatial Fermi Gamma-Ray de , et a été déterminé comme étant un sursaut gamma exceptionnellement brillant, que les astronomes ont appelé GRB 230307A.
« Il est peut-être difficile d’exagérer à quel point il était brillant », explique Michael Fausnaugh, qui était à l’époque chercheur au MIT et maintenant professeur adjoint à la Texas Tech University. « En astronomie gamma, vous comptez généralement des photons individuels. Mais il y avait tellement de photons que le détecteur ne pouvait pas en distinguer individuellement. C’était un peu comme si le cadran avait atteint son maximum.
Image JWST/NIRCam du champ GRB 230307A montrant la kilonova associée et sa galaxie hôte. Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)
L’éclat ultra-brillant était également exceptionnellement long, durant 200 secondes, alors que étoile à neutrons les fusions aboutissent généralement à de courts GRB qui clignotent pendant moins de deux secondes. Cette éruption lumineuse et de longue durée a suscité un intérêt immédiat dans le monde entier, alors que les astronomes ont orienté une multitude d’autres télescopes vers l’éclatement. Cette fois, la luminosité de l’explosion a profité aux scientifiques, car l’éruption de rayons gamma a été détectée par des satellites à travers le système solaire. En triangulant ces observations, les astronomes ont pu se concentrer sur l’emplacement de l’explosion : dans le ciel austral, dans la constellation de Mensa.
Au MIT, Schneider et Fausnaugh se sont joints à la recherche à plusieurs volets. Peu de temps après la détection initiale de Fermi, Fausnaugh a vérifié si l’éclatement apparaissait dans les données prises par le TESS satellite, qui pointait vers la même partie du ciel où GRB 230307A avait été initialement détecté. Fausnaugh a parcouru cette partie des données TESS et a repéré l’explosion, puis a retracé son activité du début à la fin.
«Nous pouvions tout voir en même temps», explique Fausnaugh. « Nous avons vu un flash très brillant, suivi d’une petite bosse ou d’une rémanence. C’était une courbe de lumière tout à fait unique. Sans TESS, il est presque impossible d’observer le premier éclair optique qui se produit en même temps que les rayons gamma.
Pendant ce temps, Schneider a examiné l’explosion avec un autre télescope basé au sol : le Très grand télescope (VLT) au Chili. En tant que membre d’un vaste programme d’observation GRB exécuté sur ce télescope, Schneider se trouvait justement en poste peu après l’observation initiale de Fermi et a focalisé le télescope vers l’éclatement.
Les observations du VLT faisaient écho aux données de TESS et révélaient une tendance tout aussi curieuse : les émissions du GRB semblaient passer rapidement des longueurs d’onde bleues aux longueurs d’onde rouges. Ce schéma est caractéristique d’une kilonova – une explosion massive qui se produit généralement lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision. Les analyses du groupe du MIT, combinées à d’autres observations à travers le monde, ont permis de déterminer que le GRB était probablement le produit de la fusion de deux étoiles à neutrons.
Retracer la fusion des étoiles à neutrons
D’où vient la fusion elle-même ? Pour cela, les astronomes se sont tournés vers la vision en champ profond du JWST, qui permet de voir plus loin dans l’espace que n’importe quel autre télescope. Les astronomes ont utilisé JWST pour observer GRB 230307A, dans l’espoir de déterminer la galaxie hôte d’où proviennent les étoiles à neutrons. Les images du télescope ont révélé que, étrangement, le GRB semblait détaché de toute galaxie hôte. Mais il semblait y avoir une galaxie proche, à environ 120 000 années-lumière.
Les observations du télescope suggèrent que les étoiles à neutrons ont été expulsées de la galaxie voisine. Elles se sont probablement formées comme une paire d’étoiles massives dans un système binaire. Finalement, les deux étoiles se sont effondrées en étoiles à neutrons, lors d’événements puissants qui ont effectivement « expulsé » les deux étoiles de leur galaxie d’origine, les obligeant à s’échapper vers un nouvel endroit où elles ont lentement tourné l’une vers l’autre et ont fusionné, plusieurs centaines de millions d’années plus tard.
Au milieu des émissions énergétiques de la fusion, JWST a également détecté un signal clair de tellure. Alors que la plupart des étoiles peuvent produire des éléments plus légers jusqu’au fer, on pense que tous les autres éléments plus lourds de l’univers ont été forgés dans des environnements plus extrêmes, comme une fusion d’étoiles à neutrons. La détection du tellure par JWST a en outre confirmé que le sursaut gamma initial avait été produit par une fusion d’étoiles à neutrons.
« Pour JWST, ce n’est qu’un début et cela a déjà fait une énorme différence », déclare Schneider. « Dans les années à venir, davantage de fusions d’étoiles à neutrons seront détectées. La combinaison du JWST avec d’autres observatoires puissants sera cruciale pour faire la lumière sur la nature de ces explosions extrêmes.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir :
- Des éléments essentiels à la vie forgés lors d’une explosion spatiale massive
- Premier aperçu de Webb sur la création d’éléments lourds
