Dans cette vue d'artiste, un jet de particules se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière émerge d'une étoile massive. Le noyau de l'étoile a manqué de carburant et s'est effondré dans un trou noir. Une partie de la matière tourbillonnant vers le trou noir a été redirigée vers deux jets tirant dans des directions opposées. On observe une explosion de rayons gamma lorsque l'un de ces jets pointe directement vers la Terre. Crédit : NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
Utilisation des données de NASAEn utilisant le télescope spatial Fermi Gamma-ray, les chercheurs ont découvert un pic d'énergie unique à la suite du sursaut gamma le plus brillant jamais observé, suggérant l'annihilation d'électrons et de positons. Cette découverte apporte de nouvelles perspectives sur le comportement des jets cosmiques et les conditions extrêmes qui suivent de tels sursauts.
En octobre 2022, les astronomes ont été stupéfaits par ce qui a rapidement été surnommé le BOAT, le sursaut gamma (GRB) le plus brillant de tous les temps. Aujourd'hui, une équipe scientifique internationale rapporte que les données du télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA révèlent une caractéristique jamais observée auparavant.
Une caractéristique spectrale sans précédent identifiée
« Quelques minutes après l’éruption du BOAT, le moniteur de sursauts gamma de Fermi a enregistré un pic d’énergie inhabituel qui a retenu notre attention », a déclaré Maria Edvige Ravasio, chercheuse principale à l’Université Radboud de Nimègue, aux Pays-Bas, et affiliée à l’Observatoire de Brera, qui fait partie de l’INAF (l’Institut national italien d’astrophysique) à Merate, en Italie. « Quand j’ai vu ce signal pour la première fois, j’ai eu la chair de poule. Notre analyse depuis lors montre qu’il s’agit de la première ligne d’émission à haut niveau de confiance jamais observée en 50 ans d’étude des GRB. »
Un article sur la découverte paraît dans l'édition du 26 juillet de la revue Science.
Le télescope spatial Fermi à rayons gamma observe le cosmos à l'aide de la forme de lumière la plus énergétique, offrant ainsi une fenêtre importante sur les phénomènes les plus extrêmes de l'univers, des sursauts gamma et des jets de trous noirs aux pulsars, aux restes de supernovae et à l'origine des rayons cosmiques. Crédit : © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)
Lorsque la matière interagit avec la lumière, l'énergie peut être absorbée et réémise de manière caractéristique. Ces interactions peuvent éclaircir ou atténuer certaines couleurs (ou énergies), produisant des caractéristiques clés visibles lorsque la lumière est diffusée, comme un arc-en-ciel, dans un spectre. Ces caractéristiques peuvent révéler une multitude d'informations, telles que les éléments chimiques impliqués dans l'interaction. À des énergies plus élevées, les caractéristiques spectrales peuvent révéler des processus particulaires spécifiques, tels que l'annihilation de la matière et de l'antimatière pour produire des rayons gamma.
« Certaines études précédentes ont déjà fait état de possibles signes d’absorption et d’émission dans d’autres sursauts gamma, mais un examen plus approfondi a révélé que tout cela pourrait n’être que des fluctuations statistiques. Ce que nous observons dans le BOAT est différent », a déclaré Om Sharan Salafia, co-auteur de l’étude, de l’observatoire INAF-Brera à Milan, en Italie. « Nous avons déterminé que la probabilité que cette caractéristique ne soit qu’une fluctuation de bruit est inférieure à une chance sur un demi-milliard. »
La nature et l’impact des sursauts gamma
Les GRB sont les explosions les plus puissantes du cosmos et émettent de grandes quantités de rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique. Le type le plus courant se produit lorsque le noyau d'une étoile massive épuise son carburant, s'effondre et forme une étoile en rotation rapide. trou noirLa matière qui tombe dans le trou noir alimente des jets de particules de direction opposée qui traversent les couches externes de l'étoile à une vitesse proche de celle de la lumière. Nous détectons les sursauts gamma lorsqu'un de ces jets pointe presque directement vers la Terre.
Le BOAT, officiellement connu sous le nom de GRB 221009A, est entré en éruption le 9 octobre 2022 et a rapidement saturé la plupart des détecteurs de rayons gamma en orbite, y compris ceux de Fermi. Cela les a empêchés de mesurer la partie la plus intense de l'explosion. Les observations reconstituées, associées à des arguments statistiques, suggèrent que le BOAT, s'il fait partie de la même population que les GRB détectés précédemment, était probablement l'explosion la plus brillante à apparaître dans le ciel terrestre depuis 10 000 ans.
Le sursaut gamma le plus brillant jamais enregistré a donné aux scientifiques une nouvelle caractéristique de haute énergie à étudier. Découvrez ce que la mission Fermi de la NASA a observé et ce que cette caractéristique peut nous dire sur les jets à la vitesse de la lumière du sursaut. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA
Aperçu des interactions entre particules cosmiques
La ligne d'émission présumée apparaît près de 5 minutes après la détection du sursaut et bien après qu'elle se soit suffisamment atténuée pour mettre fin aux effets de saturation pour Fermi. La ligne a persisté pendant au moins 40 secondes et l'émission a atteint une énergie maximale d'environ 12 MeV (millions d'électrons-volts). À titre de comparaison, l'énergie de la lumière visible varie de 2 à 3 électrons-volts.
Alors, qu'est-ce qui a produit cette caractéristique spectrale ? L'équipe pense que la source la plus probable est l'annihilation des électrons et de leurs homologues de l'antimatière, les positons.
« Lorsqu’un électron et un positon entrent en collision, ils s’annihilent, produisant une paire de rayons gamma d’une énergie de 0,511 MeV », a déclaré Gor Oganesyan, co-auteur de l’étude, de l’Institut des sciences du Gran Sasso et du Laboratoire national du Gran Sasso à L’Aquila, en Italie. « Comme nous observons le jet, où la matière se déplace à une vitesse proche de la lumière, cette émission subit un décalage vers le bleu important et est poussée vers des énergies beaucoup plus élevées. »
Orientations futures de recherche et collaboration
Si cette interprétation est correcte, pour produire une ligne d’émission culminant à 12 MeV, les particules annihilantes auraient dû se déplacer vers nous à environ 99,9 % de la vitesse de la lumière.
« Après des décennies d’étude de ces incroyables explosions cosmiques, nous ne comprenons toujours pas les détails du fonctionnement de ces jets », a noté Elizabeth Hays, scientifique du projet Fermi au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland. « La découverte d’indices comme cette remarquable ligne d’émission aidera les scientifiques à étudier plus en profondeur cet environnement extrême. »
Le télescope spatial à rayons gamma Fermi est un partenariat d'astrophysique et de physique des particules géré par Goddard. Fermi a été développé en collaboration avec le ministère américain de l'Énergie, avec d'importantes contributions d'institutions universitaires et de partenaires en France, en Allemagne, en Italie, au Japon, en Suède et aux États-Unis.
