Une découverte impliquant des chercheurs de l'Université de Hong Kong (HKU) a, pour la première fois, révélé des pulsations en millisecondes cachées dans une puissante explosion cosmique connue sous le nom de rafale de rayons gamma (GRB).
Une collaboration entre HKU, Université Nanjing et l'Institut de physique de haute énergie de l'Académie chinoise des sciences (CAS) a détecté une oscillation brève mais très cohérente dans le GRB désigné GRB 230307a le 7 mars 2023. Le signal, tournant près de mille fois par seconde, indique la naissance d'une « magnétise de la magnétise du million ».
Les conclusions de l'équipe ont récemment été publiées dans Astronomie naturellemarquant une étape importante en astrophysique et fournissant les preuves les plus claires que les magnétars peuvent alimenter certaines des explosions les plus lumineuses de l'univers.
Déchiffrer le «rythme cardiaque»
Les éclats de rayons gamma sont les explosions les plus brillantes connues, surpasse brièvement tout le ciel gamma. Ils sont déclenchés lorsque des étoiles compactes – telles que les étoiles à neutrons – se sont fusionnées et fusionnent, ou lorsque des étoiles massives s'effondrent, laissant des restes exotiques. Pendant des décennies, les scientifiques se débattent si ces restes s'effondrent immédiatement dans des trous noirs ou survivent comme des étoiles à neutrons hautement magnétisées.
GRB 230307A détecté par les satellites GECAM chinois (B et C) et le satellite Fermi de la NASA (GBM), était le deuxième GRB le plus brillant jamais enregistré. Les observations de suivi optique ont confirmé qu'elle provenait d'une fusion d'étoile compacte. Pourtant, sa durée inhabituellement longue et d'une minute a défié les attentes standard, qui prédisent moins de deux secondes d'émission de ces événements.
« Cet événement nous a donné une opportunité rare », a déclaré le professeur Bing Zhang, professeur président du Département de physique de HKU et auteur de co-correspondant de l'étude. « En découvrant son« rythme cardiaque »caché, nous pouvons enfin dire en toute confiance que certains GRB ne sont pas alimentés par des trous noirs, mais par des magnétars nouveau-nés. »
L'équipe de recherche a examiné plus de 600 000 ensembles de données collectés par les satellites GECAM – détecteurs de rayons gamma dédiés conçus et lancés par l'Institut de physique de haute énergie (CAS) à Pékin. L'analyse, dirigée par l'Université de Nanjing, a révélé une oscillation quasi-périodique de 909 Hz (QPO) qui n'a duré que 160 millisecondes.
« C'est la première fois que l'humanité observe directement un signal périodique d'un magnétar en millisecondes à l'intérieur d'une rafale de rayons gamma », a déclaré le doctorant Run-Chao Chen de l'Université de Nanjing, le premier auteur du journal. « C'est comme entendre le premier rythme cardiaque d'une star du nouveau-né. »
La détection a été confirmée indépendamment en utilisant les données de GECAM-B, GECAM-C et du moniteur de rafale de rayons gamma de la NASA, cimentant son origine astrophysique.
Pourquoi si bref?
Le pouls éphémère a soulevé de nouvelles questions. Le professeur de HKU Zhang a offert une explication théorique: « Le spin rapide de la magnétar imprime un signal périodique sur le jet de rayons gamma à travers son champ magnétique. Cependant, parce que le jet évolue rapidement, ce signal n'apparaît que lorsque l'émission ne devient brièvement asymétrique. Pendant à nouveau 160 millisecondes, le rythme cardiaque était visible avant la symétrie du jet.
Cette interprétation suggère que GRB 230307A a été alimenté par un jet dominé par Poynting-Flux – un flux d'énergie entraîné principalement par des champs magnétiques plutôt que de la matière. Les concepts de la milliseconde magnétar et de jet magnétisé ont été proposés par le professeur Zhang il y a plus de dix ans. Cette détection du rythme cardiaque fournit les preuves les plus fortes à ce jour liant la théorie à l'observation.
Impact de la recherche
Jusqu'à présent, les moteurs centraux GRB ne pouvaient être déduits qu'indirectement à partir de la modélisation de la rémanence ou des hypothèses théoriques. Cette étude fournit la première empreinte d'observation directe de la rotation d'un magnétar dans une rafale de rayons gamma.
« Cette découverte transforme notre compréhension des explosions les plus extrêmes du cosmos », a souligné le professeur Zhang. « Il montre que les magnétars nouvellement nés peuvent survivre aux fusions d'étoiles compactes et agir comme des moteurs cosmiques puissants. Cela ouvre une nouvelle frontière dans l'astronomie multimédia, reliant les rayons gamma, les vagues gravitationnelles et la physique des étoiles compactes. »
L'équipe prévoit de rechercher des pulsations similaires dans d'autres GRB brillants. Chaque détection rapprochera les astronomes de la compréhension de la vie et de la mort des étoiles compactes, du rôle des magnétars dans l'évolution cosmique et des origines des phénomènes astrophysiques extrêmes.
« Alors que des observatoires d'espace plus avancés se mettent en ligne, nous nous attendons à découvrir davantage de ces signaux éphémères », a déclaré le professeur Zhang. « Chacun sera un battement de cœur des profondeurs de l'espace, nous racontant l'histoire de l'univers mystérieux dans les conditions les plus extrêmes imaginables. »
La recherche a été menée conjointement par HKU, Université Nanjing et l'Institut de physique de haute énergie, CAS. Les professeurs bin-bin Zhang (Université Nanjing) et Shao-Lin Xiong (CAS) sont co-corrésiciens auteurs aux côtés du professeur Bing Zhang de HKU.
