La NASA suit l’événement cosmique le plus brillant jamais enregistré : « Cette chose est folle ! »

Les astronomes ont été témoins du BOAT, l’événement cosmique le plus brillant jamais enregistré, démontrant la puissance de l’astronomie temporelle et multimessager. Cet événement et d’autres événements similaires offrent un aperçu des processus dynamiques de l’univers et du rôle de la collaboration dans la découverte scientifique.

Le téléphone de Stephen Lesage s’est mis à vibrer juste après la mi-temps, le 9 octobre 2022, alors qu’il regardait un match de soccer à Atlanta avec un ami. Lorsque Lesage vit les messages entrants, le match ne semblait plus important. Il y avait eu un événement cosmique rare et il devait immédiatement accéder à son ordinateur.

Le satellite Fermi Gamma-Ray de la NASA et l’observatoire Neil Gehrels Swift ont repéré un signal inhabituellement brillant dans l’espace et ont envoyé des alertes automatiques aux scientifiques. Le canal de discussion Fermi de l’équipe de Lesage s’est illuminé de messages alors que les scientifiques coordonnaient leur stratégie de suivi.

« Tout le monde dans ce groupe disait : « Ce truc est fou ! Qui est chargé d’analyser ça ? C’est ce que nous attendions », se souvient Lesage, étudiant diplômé de l’Université de l’Alabama à Huntsville. « Il est temps d’y aller! »

L’événement inhabituel s’est avéré être une explosion cosmique qui pourrait avoir été la plus brillante aux énergies des rayons X et gamma depuis le début de la civilisation. Les astronomes l’ont surnommé le BATEAU, « le plus brillant de tous les temps ». Lesage a mené une analyse des données de Fermi qui a démontré à quel point le BOAT était réellement brillant. Plus de 150 télescopes dans l’espace et sur Terre ont suivi pour obtenir plus de détails sur l’événement, notamment NASAde l’IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), du télescope spatial Hubble et du télescope spatial James Webb, ainsi que du télescope XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne.

L’univers change

Le BOAT est un exemple de ce que les astronomes appellent l’astronomie temporelle et multimessager. La partie « Domaine temporel » fait référence aux événements qui se produisent dans l’univers et que les télescopes peuvent observer au fur et à mesure de leur déroulement, comme une supernova ou la fusion de deux étoiles à neutrons. L’« astronomie multi-messagers » fait référence à la variété de « messagers » qui transmettent des informations provenant de l’univers, y compris toutes les formes de lumière, les particules de haute énergie et les ondulations de l’espace-temps appelées « astronomie multi-messagers ». ondes gravitationnelles.

Même si l’univers semble évoluer extrêmement lentement, sur des millions, voire des milliards d’années, ses occupants célestes produisent parfois des changements spectaculaires, de l’ordre de quelques jours, voire de quelques fractions de secondes. Les centres galactiques s’illuminent à mesure que leurs trous noirs centraux mangent de la matière. Siphon de trous noirs plasma des étoiles proches. Les étoiles explosent. Les étoiles à neutrons entrent en collision avec des trous noirs, les étoiles à neutrons entrent en collision avec des étoiles à neutrons et les trous noirs fusionnent avec les trous noirs. Même les collisions lointaines d’objets célestes peuvent provoquer de puissantes ondulations qui peuvent être détectées par des télescopes et des instruments spatiaux et terrestres. Beaucoup de ces phénomènes sont imprévisibles quant à l’endroit et au moment où ils pourraient se produire ensuite.

La NASA dispose de deux satellites « de surveillance » dotés de larges champs de vision qui envoient des alertes lorsqu’ils détectent un éclaircissement soudain des rayons gamma : Fermi et Swift. Le moniteur de rafales gamma et le télescope à grande surface de Fermi, ainsi que le télescope d’alerte de rafale de Swift, sont des instruments clés qui pourraient être les premiers à observer ces événements.

« Quand quelque chose d’impulsif se produit, quand quelque chose fait un boum et explose ou quelque chose craque et s’effondre, ils se déclenchent », a déclaré Valerie Connaughton, qui dirige le portefeuille d’astrophysique des hautes énergies et l’initiative d’astronomie dans le domaine temporel et multimessager au sein de la division d’astrophysique de la NASA. Siège social à Washington.

Une fois que les scientifiques reçoivent une alerte sur leurs ordinateurs et téléphones, ils pourront peut-être collaborer avec d’autres télescopes pour suivre l’événement. En utilisant une variété d’observatoires et d’instruments spatiaux différents pour étudier ces éclairs largement imprévisibles, les scientifiques peuvent reconstituer quoi, où, quand et pourquoi ils ont observé un « incident » dans le calme habituel de l’espace.

Après avoir comparé les observations du BOAT à partir de nombreux télescopes, les scientifiques ont déterminé que cet éclat inhabituellement brillant provenait d’une supernova et plus précisément de l’effondrement du noyau d’une étoile massive en rotation rapide. Plus tard, avec les données de la NASA NuSTAR mission, les scientifiques ont découvert que le jet de matière jaillissant de l’étoile explosive avait une forme plus compliquée qu’ils ne le pensaient initialement.

« Une étoile géante vient d’exploser, et nous pouvons l’étudier et comprendre ce qui s’est passé, procéder à une ingénierie inverse des pièces et les reconstituer », a déclaré Lesage.

« L’astronomie temporelle nous permet d’obtenir des réponses fondamentales sur les propriétés de l’univers, sur la physique fondamentale elle-même et sur l’origine des éléments. »

— Eric Burns, astrophysicien, Louisiana State University

Nouveaux signaux lumineux

À peine cinq mois après le BOAT, les scientifiques ont reçu une alerte de Fermi concernant le deuxième sursaut gamma le plus brillant observé au cours des 50 dernières années. Ce signal plus récent, GRB 230307A, survenu en mars 2023, a rejoint le BOAT dans la catégorie des sursauts gamma « longs », d’une durée de 200 secondes, contre 600 pour le BOAT. Grâce aux données infrarouges de la NASA Télescope spatial James Webb, les scientifiques ont déterminé que GRB 230307A pourrait avoir une origine très différente : la fusion de deux étoiles à neutrons à environ un milliard d’années-lumière de la Terre. De plus, Webb a détecté l’élément rare tellure, suggérant que étoile à neutrons les fusions créent des éléments lourds comme celui-ci.

Ce résultat laisse encore perplexe les astronomes tels qu’Eric Burns, co-auteur de l’article GRB 230307A et membre de l’équipe Fermi de la Louisiana State University. La fusion d’étoiles à neutrons ne devrait pas produire des sursauts gamma aussi longs, et les modèles actuels de physique atomique n’expliquent pas entièrement les longueurs d’onde de l’infrarouge moyen détectées par Webb. Il espère que Webb nous aidera à en apprendre davantage sur ce genre d’événements au cours des prochaines années.

« L’astronomie temporelle nous permet d’obtenir des réponses fondamentales sur les propriétés de l’univers, sur la physique fondamentale elle-même et sur l’origine des éléments », a déclaré Burns.

Cette image de l’instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) du télescope spatial James Webb de la NASA met en évidence le sursaut gamma (GRB) 230307A et sa kilonova associée, ainsi que son ancienne galaxie d’origine, parmi leur environnement local d’autres galaxies et étoiles de premier plan. Le GRB était probablement propulsé par la fusion de deux étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons ont été expulsées de leur galaxie d’origine et ont parcouru une distance d’environ 120 000 années-lumière, soit environ le diamètre de la Voie lactée, avant de finalement fusionner plusieurs centaines de millions d’années plus tard. Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

Une multitude de messagers

Les « messagers » cosmiques associés à des incidents cosmiques éphémères aident également les scientifiques à reconstruire leurs origines. La découverte initiale des ondes gravitationnelles en 2015 par LIGOl’observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser, a montré que l’univers pouvait être observé d’une toute nouvelle manière et a ouvert une nouvelle ère de possibilités pour l’utilisation de plusieurs messagers pour étudier les phénomènes soudains dans l’univers.

En 2017, des scientifiques ont démontré ce potentiel en combinant les observations d’ondes gravitationnelles avec les données de nombreux observatoires terrestres et spatiaux différents pour étudier une kilonova, ou fusion d’étoiles à neutrons, appelée GW170817. Parmi les enseignements tirés de l’étude approfondie de cette kilonova, Burns et ses collègues l’ont utilisée pour effectuer la première mesure précise de la vitesse de la gravité, « la dernière confirmation majeure d’une prédiction d’Einstein », a-t-il déclaré.

Aujourd’hui, les réseaux LIGO, soutenu par la NSF (National Science Foundation) aux États-Unis, VIRGO en Europe et KAGRA au Japon, surveillent les événements d’ondes gravitationnelles.

Des étoiles à neutrons condamnées tournent vers leur disparition dans cette illustration. Les ondes gravitationnelles drainent l’énergie orbitale, provoquant le rapprochement et la fusion des étoiles. Lors de leur collision, certains débris sont projetés dans des jets de particules se déplaçant presque à la vitesse de la lumière, produisant une brève explosion de rayons gamma. Crédit : Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab de la NASA

La lumière est le seul type de « messager » de l’univers qui a été détecté à la fois par le BOAT et par le sursaut gamma qui semble avoir produit du tellure. Une expérience près du pôle Sud appelée IceCube, soutenue par la NSF, a recherché des neutrinos de haute énergie provenant de la même zone du ciel que chaque événement, mais n’en a trouvé aucun. Cependant, l’absence de neutrinos observée aide les scientifiques à limiter les possibilités de déroulement de ces événements.

« Cette approche multimessagerie est importante, même en l’absence de détection », a déclaré Michela Negro, astrophysicienne et professeure adjointe à la Louisiana State University. « Cela aide vraiment à exclure certains scénarios, en plus de nous indiquer quelque chose de nouveau lorsque nous avons des détections. »

Un brillant avenir

Pour Lesage, qui rédige sa thèse sur le BOAT, l’astronomie temporelle et multimessagers est un domaine d’étude passionnant. Le BOAT lui-même l’occupe toujours, lui et d’autres astronomes, alors qu’ils examinent tous les processus révélés par la lumière exceptionnellement brillante de cet événement extrême. Mais d’autres événements transitoires se produiront sûrement et garderont les scientifiques sur leurs gardes alors qu’ils les poursuivront avec une grande variété de télescopes et d’instruments.

« Ce ne sont que des événements passagers – regardez maintenant ou vous allez les manquer », a déclaré Lesage. « Regardez aussi vite que possible. »

Lectures complémentaires : Les télescopes sur le cas

Au cours des prochaines années, la NASA lancera de nouveaux satellites « d’observation » pour aider à détecter des événements transitoires soudains comme ceux-ci. Ils comprennent plusieurs CubeSats, qui sont une classe de vaisseaux spatiaux miniaturisés construits en unités standardisées de cubes d’environ 4 pouces (10 cm) de côté :

• BurstCube, lancé en mars 2024, pour surveiller les signaux gamma
• BlackCat, lancé en 2025, pour détecter la lumière des rayons X
• StarBurst, lancé en 2027, pour surveiller les signaux gamma

Les partenariats internationaux impliquent également ce type de science :

• ULTRASAT (Ultraviolet Transient Astronomy Satellite), un petit satellite de l’Agence spatiale israélienne et de l’Institut des sciences Weizmann, doté d’un large champ de vision spécialisé dans la lumière ultraviolette, bénéficie des contributions de la NASA. Lancement prévu en 2026.

• La mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) de l’ESA, qui serait la première fois que des ondes gravitationnelles pourraient être détectées depuis l’espace, bénéficie des contributions de la NASA. Son lancement est prévu dans les années 2030.

De plus, les télescopes de la NASA ayant d’autres objectifs principaux peuvent aider à détecter ces événements inhabituels :

• Psyché, en route vers l’astéroïde riche en métaux Psyché, dispose d’un spectromètre à rayons gamma que les astronomes peuvent utiliser pour détecter les sursauts gamma alors que le vaisseau spatial se dirige vers sa destination au cours des prochaines années.
• WISE, qui a cartographié le ciel dans les longueurs d’onde infrarouges, a découvert de nombreux nouveaux objets lointains et phénomènes cosmiques. La mission NEOWISE, qui réutilise le télescope WISE, étudie l’espace proche de la Terre à la recherche d’astéroïdes potentiellement dangereux.
• Le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, un observatoire infrarouge qui éclairera les mystères de longue date de l’énergie noire et découvrira des milliers d’exoplanètes, est conçu pour avoir une vue large du ciel et captera sans aucun doute les signaux infrarouges transitoires. L’observatoire réalisera plusieurs enquêtes pour rechercher ces phénomènes, et la mission soutiendra de nombreuses équipes pour étudier des sujets pertinents allant des étoiles variables, à la naissance des trous noirs et aux galaxies actives. Le lancement de Roman est prévu d’ici mai 2027 et fournira également des alertes sur les changements dans le ciel qu’il découvre.
• La mission NEO Surveyor utilisera des détecteurs infrarouges pour élargir la recherche d’astéroïdes et de comètes susceptibles de constituer un danger pour la Terre. Les images qui seront prises par NEO Surveyor devraient également capturer de nombreux objets d’arrière-plan plus éloignés.