Les scientifiques résolvent le mystère de «l'explosion la plus brillante de tous les temps»

Énorme événement si massif qu'il a déposé environ un gigawatt de puissance dans la haute atmosphère terrestre

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Détectées accidentellement pour la première fois par des satellites militaires américains à la fin des années 1960, les explosions cosmiques connues sous le nom de sursauts gamma (GRB) sont devenues les explosions les plus brillantes de l'univers. Typiquement, ils sont le résultat de la naissance cataclysmique d'un trou noir dans une galaxie lointaine.

Cela peut se produire notamment par l'effondrement d'une seule étoile massive. Les astronomes comme moi qui travaillent sur le terrain sont bien conscients des échelles d'énergie massives impliquées dans les GRB. Nous savons qu'ils peuvent libérer autant d'énergie sous forme de rayons gamma que le Soleil tout au long de sa vie.

Mais de temps en temps, un événement est observé qui nous fait encore réfléchir. En octobre 2022, les détecteurs de rayons gamma des satellites orbitaux Fermi et de l'observatoire Neil Gehrels Swift ont noté une sursaut connu sous le nom de GRB 221009A (la date de détection). Cela s'est rapidement avéré être un recordman. Il a été surnommé le plus brillant de tous les temps, ou le "bateau", comme un raccourci pratique parmi les astronomes qui étudient et observent l'événement. Non seulement le bateau a commencé brillant, mais il a refusé de s'estomper comme les autres éclats. Nous ne savons toujours pas exactement pourquoi le sursaut était si exceptionnellement brillant, mais notre nouvelle étude, publiée dans Science Advances, apporte une réponse à sa persistance obstinée.

Le sursaut provenait d'une distance de 2,4 milliards d'années-lumière - relativement proche pour un GRB. Mais même en tenant compte de la distance relative, l'énergie de l'événement et le rayonnement produit par ses conséquences étaient hors du commun. Il n'est décidément pas normal qu'un événement cosmiquement lointain dépose environ un gigawatt de puissance dans la haute atmosphère terrestre.

Les GRB tels que le Boat lancent un flux de gaz se déplaçant à une vitesse très proche de la lumière dans l'espace. La manière exacte dont le jet est lancé reste une énigme – mais très probablement, cela implique des champs magnétiques près de l'endroit où le trou noir se forme.

C'est l'émission précoce de ce jet que nous voyons comme l'éclatement. Plus tard, le jet ralentit et produit un rayonnement supplémentaire, une lumière résiduelle qui s'estompe - des ondes radio jusqu'aux rayons gamma (dans des cas exceptionnels).

Nous n'observons pas directement les jets. Au lieu de cela, comme des étoiles lointaines, nous voyons les GRB comme des points dans le ciel. Néanmoins, nous avons de bonnes raisons de croire que les GRB n'explosent pas de la même manière dans toutes les directions. Pour GRB 221009A, cela serait certainement déraisonnable, car cela impliquerait de multiplier la quantité d'énergie détectée sur Terre par toutes les autres directions - ce qui équivaudrait à beaucoup plus d'énergie que n'importe quelle étoile aurait disponible.

Une autre indication que les GRB proviennent de jets pointant grossièrement vers nous est due à la théorie de la relativité restreinte. La relativité nous enseigne que la vitesse de la lumière est constante, quelle que soit la vitesse à laquelle une source se déplace vers nous. Mais cela permet toujours à la direction de la lumière de se déformer. Grâce à cet effet miroir amusant, la lumière émise dans toutes les directions depuis la surface d'un jet en mouvement rapide finira par être fortement focalisée le long de sa direction de mouvement.

Cela dit, les bords d'un jet se dirigeant dans notre direction seront très légèrement incurvés, ce qui signifie que leur lumière est focalisée loin de notre direction. Ce n'est que plus tard, lorsque le jet ralentit, que les bords apparaissent normalement et que la rémanence commence à s'estomper plus rapidement.

Mais là encore, GRB 221009A a enfreint les règles. Ses bords ne se sont jamais montrés et il a rejoint un groupe restreint de rafales très lumineuses qui refusent de s'estomper normalement. Plutôt que de commencer à s'estomper lentement puis de disparaître rapidement, il s'estompe régulièrement avec le temps.

Dans notre travail, nous démontrons comment l'apparence des bords du jet peut être masquée d'une manière qui correspond aux observations du bateau. L'idée clé est la suivante : oui, un jet étroit a été lancé, mais il a eu du mal à s'échapper de l'étoile qui s'effondre, ce qui a entraîné un mélange important de gaz stellaire le long des côtés du jet.

Pour tester si c'était bien le cas, nous avons pris un résultat de simulation informatique montrant ce mélange et l'avons implémenté dans un modèle qui pourrait en fait être directement comparé aux données du bateau. Et cela a montré que ce qui serait normalement une rotation rapide vers un signal fortement affaibli, est maintenant devenu une affaire de longue haleine.

Le rayonnement du gaz chauffé par le choc de l'étoile mourante continuait d'apparaître dans notre champ de vision, expliquant pourquoi il restait si brillant. Cela a continué à se produire jusqu'au point où toute signature de jet caractéristique a été perdue dans l'émission globale.

De cette façon, GRB 221009A confirme non seulement les attentes de la simulation, mais fournit également un indice sur des événements tout aussi brillants observés dans le passé, où les gens devaient continuer à réviser l'estimation d'énergie à la hausse en attendant qu'un bord de jet se manifeste.

Nous avons calculé que la probabilité de voir un éclat aussi brillant est d'environ un sur mille ans, nous sommes donc chanceux d'en avoir repéré un. Mais des questions demeurent. Quel rôle jouent les champs magnétiques, par exemple ?

Les théoriciens et les modélisateurs numériques exploreront ces questions pendant des années, parcourant les données du bateau pendant que nous restons à l'affût du prochain grand événement à venir

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.