Une équipe internationale d'astrophysiciens, dirigée par la Northwestern University et l'Université de Leicester en Angleterre, a découvert une origine possible des transitoires rapides des rayons X (FXT) – des rafales musicales et éphémères de rayons X qui ont longtemps perplexe.
En utilisant une combinaison de télescopes dans le monde et dans l'espace, l'équipe a étudié le FXT le plus proche associé à la mort explosive d'une étoile massive, ou supernova, jamais observée. Un geyser de particules à haute énergie, ou jet, piégé à l'intérieur d'une supernova a produit le FXT, ont découvert les scientifiques.
Lorsque les jets ont éclaté à travers les couches d'oignon d'une étoile massive, ils génèrent des rafales gamma (GRB), les explosions les plus puissantes et les plus lumineuses de l'univers. Cependant, lorsque les jets sont étouffés, ils émettent des niveaux d'énergie inférieurs, que les astronomes peuvent détecter uniquement à partir de signaux de rayons X. Les nouvelles observations indiquent désormais ces jets « échoués » comme source d'émission, expliquant les phénomènes historiquement insaisissables.
Cette constatation marque une étape importante dans la compréhension du paysage diversifié des explosions cosmiques – réduisant l'écart entre FXTS, GRBS et Supernovae.
Deux études compagnons, détaillant divers aspects de l'événement, ont été publiés par Les lettres de journal astrrophysique.
« Depuis les années 1970, les astronomes ont détecté des FXT – des coups de radiographies de galaxies éloignées qui peuvent durer de quelques secondes à des heures », a déclaré Jillian Rastinejad de Northwestern, qui a mené l'une des études.
« Mais leurs sources sont restées un mystère de longue date. Notre travail montre définitivement que les FXT peuvent provenir de la mort explosive d'une étoile massive. Elle soutient également un lien causal entre GRB-Supernovae et FXT-Supernoe, dans lequel les GRB sont produits par des jets réussis, et les FXT sont produits par des jets faibles piégeurs. »
« Notre équipe – répandue dans des fuseaux horaires du monde entier – nous a permis de travailler 24 heures sur 24 pour recueillir des données, de les analyser dès qu'il a été pris et de remettre les résultats au prochain champiace pour prendre des décisions la nuit suivante des observations », a déclaré Wen-Fai Fong de Northwestern, un auteur principal des deux études.
« Le résultat? Un flux massif et magnifique de données collectées dans des installations, grandes et petites, sur le terrain et dans l'espace, raconte le premier mois de cet événement. Il faut des événements vraiment spéciaux pour motiver un tel effort mondial, et ce FXT en était un. »
Rastinejad est un doctorat récent. Diplômé en astronomie du Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (Ciera).
Elle est informée par Fong, professeur agrégé de physique et d'astronomie à Weinberg et membre de Ciera. Rastinejad a dirigé une étude axée sur la supernova derrière le FXT. Une deuxième étude compagnon – dirigée par Rob Eyles-Ferris, chercheur postdoctoral à l'Université de Leicester – se concentre sur le jet « piégé ».
Un voisin explosif
Bien que les astronomes ont détecté des FXT depuis des décennies, le nombre limité de découvertes a empêché des études détaillées. Mais maintenant, les scientifiques ont un nouvel outil spatial, appelé la sonde Einstein, qui est dédiée à la recherche. Lancé en janvier 2024 par l'Académie chinoise des sciences en partenariat avec la European Space Agency et le Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, la sonde Einstein contient deux instruments scientifiques, spécialement conçus pour observer les sources de rayons X.
« Les FXT nous ont longtemps fascinés, mais leur étude s'est appuyée sur un petit nombre d'événements découverts de manière fortuite », a déclaré Fong.
« La sonde Einstein a révolutionné ce domaine en augmentant le nombre d'événements connus de 10 fois en seulement une année d'opérations. Ainsi, il ne remplit pas seulement le paysage précédemment clairsemé de FXTS, mais aussi notre image de paysage, mettant les facettes de ces explosions en foyer que nous n'avions pas imaginées auparavant.
Peu de temps après son lancement, la sonde Einstein a capturé le FXT le plus à proximité, associé à une supernova, à ce jour. Surnommé EP 250108A, le FXT était situé à 2,8 milliards d'années-lumière de la Terre, dans la constellation de la rivière Eridanus. Sa proximité avec la Terre a donné aux astronomes une occasion sans précédent d'observer l'évolution de l'événement.
Après le «Kangaroo»
Pour suivre ce comportement en évolution, une grande équipe internationale a capturé le signal de l'événement sur plusieurs longueurs d'onde. Le spectrographe Flamingo-2 sur le télescope South Gemini à l'observatoire international Gemini a fourni des données presque infrarouges, et le spectrographe multi-objet Gemini sur le télescope Gemini North a fourni des données optiques.
Les scientifiques du Nord-Ouest ont également obtenu la spectroscopie optique de l'Observatoire WM Keck à Hawaï, des images infrarouges de l'Observatoire MMT en Arizona et des données infrarouges très sensibles du télescope spatial James Webb.
« Il est important de noter que les données sur les rayons X ne peuvent pas nous dire quels phénomènes ont créé un FXT », a déclaré Rastinejad. « Des observations rapides de l'emplacement du FXT aux longueurs d'onde optiques et infrarouges sont essentielles pour identifier les conséquences d'un FXT et assembler des indices sur son origine. »
Lorsque les astronomes ont pivoté les télescopes Gemini à l'emplacement de EP 250108A, ils ont trouvé les conséquences brillantes d'une supernova. La supernova (surnommée SN 2025kg ou affectueusement connue sous le nom de « le kangourou ») a augmenté en luminosité sur plusieurs semaines avant la décoloration.
« Le JWST a obtenu des spectres infrarouges exquis lorsque » The Kangaroo « était à son plus brillant, ce qui nous a permis de regarder à l'intérieur de l'explosion et de trouver des preuves d'hélium et de carbone », a déclaré Charlie Kilpatrick de Northwestern, professeur adjoint de recherche à Ciera et co-auteur sur les deux études.
« J'ai été surpris parce que nous n'avons vu l'hélium dans aucune de nos données optiques, et ce n'est pas vraiment attendu pour ce type d'explosion. Mais c'était un indice clé qui nous a permis de déterminer que » le kangourou « venait d'une étoile très massive qui avait probablement un compagnon avant de produire un FXT. »
Après avoir examiné sa luminosité et son spectre, l'équipe a confirmé que « le kangourou » était une supernova de type IC large. Ces explosions puissantes sont généralement associées à des événements très énergiques comme GRBS. Mais, dans ce cas, des preuves d'un GRB manquaient.
Jet défaillant, grande percée
En analysant son signal en évolution rapide, les scientifiques ont conclu que l'EP 250108A est probablement un GRB « échoué ». Bien que l'EP 250108A soit similaire à une explosion axée sur le jet, ses jets n'ont pas brisé la couche extérieure de l'étoile mourante. Au lieu de cela, les Jets sont restés piégés à l'intérieur.
« Cette supernova FXT est presque un jumeau de supernovae passés qui a suivi les GRB », a déclaré Eyles-Ferris. « Nos observations des premiers stades de l'évolution de l'EP 250108A montrent que les explosions d'étoiles massives peuvent produire les deux phénomènes. »
« Au cours des décennies d'étude scientifique, nous savons que les Jets peuvent réussir à parcourir les couches extérieures d'une étoile mourante, et nous les considérons comme des GRB », a déclaré Rastinejad. « Dans notre étude, nous avons constaté que ce résultat » piégé « est plus courant dans les explosions d'étoiles massives que les jets qui émergent avec succès de l'étoile. »
Pour étudier la supernova elle-même, l'équipe a utilisé le télescope de recherche astrophysique sud de 4,1 mètres à l'Observatoire interaméricain de la National Science Foundation Cerro Tololo au Chili. Avec ces observations, les scientifiques estiment l'étoile progénitrice – dont la mort a enflammé EP 250108A et sa supernova associée – a connu une masse d'environ 15 à 30 fois la masse du soleil.
Assembler le paysage
Avec l'ouverture récente de l'Observatoire Vera C. Rubin, les astronomes s'attendent à ce que leur compréhension des étoiles se développe considérablement. La prochaine étude de l'héritage de l'observatoire sur l'espace et le temps fournira aux scientifiques des ensembles de données énormes, montrant comment les étoiles et leurs décès explosifs changent au fil du temps. Ces idées pourraient aider à révéler le fonctionnement interne des FXT et de nombreux autres événements cosmiques exotiques.
« Au cours de la dernière décennie, de nouvelles enquêtes astronomiques ont ouvert les yeux sur la diversité de la façon dont les étoiles explosent et des environnements stellaires qui les entourent », a déclaré Rastinejad.
« Mais nous n'avons pas encore bien compris ce qui crée des FXT ou comment ils s'intègrent dans notre image actuelle des explosions astronomiques. Découvrir la physique derrière la diversité des explosions est un objectif principal de l'Observatoire Rubin, qui nous aidera à comprendre le paysage complet des explosions stellaires. »
