Des scientifiques du Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) ont publié une étude novatrice sur le sursaut gamma (GRB) GRB 221009A, un événement astronomique résultant de l’explosion d’une étoile massive il y a deux milliards d’années.
Des chercheurs du Large High Altitude Air Shower Observatory ont détaillé pour la première fois la courbe de lumière complète des photons de haute énergie provenant d’un sursaut gamma (GRB), remettant en cause les modèles théoriques actuels. Leur observation du GRB 221009A, exceptionnellement rare et lumineux, une explosion d’une étoile massive il y a deux milliards d’années, fournit des données inestimables pour comprendre les mécanismes des GRB.
De nouveaux résultats de recherche sur le sursaut gamma (GRB) nommé GRB 221009A, obtenus par le Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), ont été publiés en ligne par la revue Science le 8 juin 2023. L’étude, intitulée « A tera-electronvolt afterglow from a narrow jet in an extremely bright GRB 221009A », a été réalisée par la collaboration internationale LHAASO.
Il y a environ deux milliards d’années, une étoile massive plus de 20 fois plus lourde que le Soleil a épuisé l’énergie de fusion de son combustible nucléaire, s’est instantanément effondrée et a déclenché une explosion massive, libérant ainsi une explosion collimatée de feux d’artifice cosmiques connue sous le nom de sursaut gamma (GRB) qui a duré des centaines de secondes. Les photons gamma de haute énergie, générés par la collision entre la boule de feu et la matière interstellaire, ont traversé le vaste univers et se sont dirigés directement vers la Terre. Le soir du 9 octobre 2022, à 13:20:50 UT, ces photons ont atteint le champ de vision de LHAASO, où plus de 60 000 photons gamma ont été collectés. Après plusieurs mois d’analyse, les scientifiques ont enfin dévoilé les détails de cette explosion.
LHAASO a détecté le GRB 221009A à un niveau de signification de plus de 250 écarts-types. Crédit : Image de l’IHEP
LHAASO mesure précisément pour la première fois la courbe de lumière complète des photons de haute énergie provenant de la rémanence d’un GRB.
Le flux de photons collectés par LHAASO indique qu’ils proviennent du rayonnement qui suit l’explosion principale. Le sursaut principal, à savoir l’émission rapide, est l’explosion massive initiale caractérisée par un intense rayonnement gamma de faible énergie. Le sursaut suivant, connu sous le nom de rémanence, est produit lorsque la matière éjectée entre en collision avec le gaz interstellaire environnant à des vitesses très proches de celle de la lumière. « Pour la première fois, LHAASO a mesuré avec précision le processus complet de la rémanence, comprenant la phase entière du flux de rayons gamma de téraélectronvolts, de l’émission à la décroissance », a déclaré CAO Zhen, chercheur principal du projet LHAASO, porte-parole de la collaboration LHAASO et professeur à l’Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de l’Académie des sciences de Chine.
Sur la base de l’observation de dizaines de milliers de GRB, les scientifiques ont développé des modèles théoriques apparemment parfaits et leur accordent une grande confiance. LHAASO a observé la courbe de lumière complète à haute énergie que d’autres expériences n’ont pas encore atteinte, fournissant ainsi une base de données parfaite pour des tests précis de ces modèles théoriques. Compte tenu de la rareté de cet événement, qui ne se produit probablement qu’une fois par millénaire, on s’attend à ce que ce résultat reste l’un des meilleurs pour les prochaines décennies, voire les prochains siècles.
LHAASO mesure pour la première fois le processus d’augmentation rapide du flux de photons de haute énergie provenant d’un GRB
« Au début de la rémanence, LHAASO a détecté pour la première fois une augmentation extrêmement rapide du flux de photons », a déclaré YAO Zhiguo, professeur à l’IHEP et l’un des auteurs correspondants de l’article. Dans un intervalle de temps de moins de deux secondes, le flux a augmenté d’un facteur de plus de cent, suivi d’une lente augmentation conforme aux caractéristiques attendues d’une lueur rémanente. Le phénomène d’augmentation rapide précoce dépasse les attentes des modèles théoriques précédents. Une question se pose alors : quels sont les mécanismes réellement en jeu ? Quels sont les mécanismes réellement en jeu ? Les résultats publiés devraient susciter des discussions approfondies au sein de la communauté scientifique sur les mécanismes impliqués dans les GRB, notamment l’injection d’énergie, l’absorption de photons et l’accélération de particules.
LHAASO lève le voile sur le mystère de la luminosité du GRB le plus brillant de tous les temps
Les observations de LHAASO ont montré que la luminosité des rayonnements de haute énergie diminue plus rapidement environ 10 minutes après le début de la rémanence. « Cela peut s’expliquer par le fait que la matière éjectée après l’explosion forme une structure en forme de jet, et que la diminution rapide de la luminosité se produit lorsque l’angle de rayonnement s’étend jusqu’au bord du jet », a déclaré WANG Xiangyu, professeur à l’université de Nanjing et l’un des auteurs correspondants de l’article. En raison de l’apparition extrêmement précoce de cette transition de luminosité, on en déduit que l’angle mesuré du jet est extrêmement faible, à savoir seulement 0,8 degré. Il s’agit du plus petit angle de jet connu à ce jour, ce qui indique que ce qui a été observé est en fait le noyau le plus brillant d’un jet typique brillant à l’intérieur et sombre à l’extérieur. « L’observateur se trouve directement face au noyau le plus brillant du jet, ce qui explique naturellement pourquoi ce sursaut gamma est le plus brillant de l’histoire et pourquoi un tel événement est si rare », a déclaré DAI Zigao, professeur à l’Université des sciences et technologies de Chine (CAS) et l’un des auteurs correspondants de l’article.
Les observations intensives de LHAASO à haute énergie révèleront d’autres mystères
Pendant la courte durée de cet événement, le nombre de photons enregistrés par LHAASO a dépassé le nombre cumulé de photons observés dans la nébuleuse du Crabe « bougie standard » au cours des dernières années. « Si les critères de sélection étaient légèrement assouplis, le nombre de photons pourrait même atteindre 100 000 ! », a déclaré ZHA Min, professeur à l’IHEP et l’un des auteurs correspondants de l’article. À titre de comparaison, d’autres instruments dans la même bande d’énergie ont détecté moins de 1 000 photons dans d’autres GRB jusqu’à présent, et ils ne sont capables de détecter des photons que quelques dizaines de secondes après l’explosion. À l’heure actuelle, il reste encore beaucoup d’inconnues dans ce sursaut, et les scientifiques du LHAASO continuent d’analyser les données afin de révéler d’autres secrets. Restez à l’écoute pour connaître les résultats des analyses ultérieures de LHAASO », a déclaré le professeur CAO, qui s’est dit optimiste quant aux futures réalisations de LHAASO.
Informations générales : GRB
Les GRB sont les phénomènes d’explosion astronomique les plus intenses dans l’univers depuis le Big Bang. Ils désignent l’augmentation soudaine de l’émission de rayons gamma à partir d’une direction particulière du ciel. Les GRB peuvent durer une fraction de seconde ou plusieurs heures. Les GRB de courte durée sont produits par la fusion de deux objets célestes compacts proches, tels que des trous noirs ou des étoiles à neutrons, tandis que les GRB de longue durée sont provoqués par l’effondrement et l’explosion d’étoiles massives (supernovae) lorsque leur carburant est épuisé.
Le 9 octobre 2022, à 13:16:59.59 UT, la sonde Fermi a détecté pour la première fois un GRB exceptionnellement brillant, auquel a été attribué le nom de GRB221009A selon la convention internationale. Par la suite, des dizaines de détecteurs spatiaux et terrestres ont observé ce sursaut. Ce GRB est un événement de longue durée, dont la luminosité dépasse de plusieurs dizaines de fois celle des GRB précédents. Le flux de photons extrêmement élevé a saturé les détecteurs de plusieurs expériences internationales. Le satellite chinois LHAASO, le satellite HEBS (High-Energy Burst Explorer) et le satellite Insight-HXMT ont détecté simultanément ce GRB, réalisant des observations de grande envergure couvrant 11 ordres de grandeur en énergie. La préimpression des observations satellitaires a été publiée le 28 mars 2023. Des analyses conjointes de données basées sur des observations spatiales et terrestres ont été effectuées de manière approfondie, et d’autres résultats de recherche seront publiés successivement.
Informations générales : LHAASO
LHAASO, l’une des principales installations scientifiques et technologiques nationales de la Chine, a pour mission d’observer les rayons cosmiques et de mener des recherches dans ce domaine. Il est situé sur la montagne Haizi, dans le comté de Daocheng, dans la province du Sichuan. Il a une altitude moyenne de 4 410 mètres et couvre environ 1,36 km². Le LHAASO se compose de trois types de réseaux : le Kilometer Square Array (KM2A), un réseau de détecteurs de particules au sol couvrant un kilomètre carré et composé de 5 216 détecteurs de particules électromagnétiques et de 1 188 détecteurs de muons ; le Water Cherenkov Detector Array (WCDA), qui couvre 78 000 mètres carrés et comprend 3 120 cellules de détection ; et le Wide Field-of-view Cherenkov Telescope Array (WFCTA), qui se compose de 18 télescopes. LHAASO permet d’effectuer des mesures composées et à large bande des rayons gamma et des rayons cosmiques provenant de sources célestes à haute énergie, facilitant ainsi la recherche en astrophysique et dans les domaines connexes.
Les résultats actuels sont principalement fournis par le WCDA. Le WCDA utilise 360 000 tonnes d’eau purifiée comme milieu et 6 240 tubes photomultiplicateurs placés sous l’eau. Il mesure les produits secondaires des rayons gamma ou des rayons cosmiques produits dans l’atmosphère, en recueillant les signaux lumineux Cherenkov générés par ces particules secondaires dans l’eau. La gamme d’énergie des observations de rayons gamma s’étend sur deux ordres de grandeur, d’environ 100 GeV à plus de 10 TeV. Grâce à son large champ de vision et à son cycle de fonctionnement élevé, le WCDA présente des avantages considérables pour la capture de phénomènes célestes transitoires tels que les GRB.
Le projet LHAASO est financé conjointement par la Commission nationale chinoise pour le développement et la réforme et le gouvernement de la province du Sichuan. La phase de construction a duré quatre ans et a débuté en juillet 2017. La construction de l’installation a été achevée et les instruments sont devenus pleinement opérationnels en juillet 2021.
Actuellement, 32 universités et instituts de recherche nationaux et internationaux sont devenus des institutions membres de la collaboration internationale du LHAASO, qui comprend environ 280 scientifiques collaborateurs.
Commentaires de Peter Meszaros, professeur à la Pennsylvania State University
Grâce à la très grande zone d’observation de LHAASO et à la technologie avancée des détecteurs, c’est la première fois que la composante synchrotron-autocompton de la courbe de lumière du choc externe en début de rémanence a été détectée à des énergies de l’ordre du TeV. Cette composante montre en outre une décélération qui permet de mesurer le facteur de Lorentz d’environ 440. Elle montre également une rupture de la courbe de lumière, interprétée comme un angle d’ouverture du jet d’environ 0,8 degrés, qui réduit l’énergie totale du jet à environ 10^51 ergs, ce qui est cohérent avec d’autres GRBs.
Commentaires de GAO He, professeur au département d’astronomie de l’université normale de Pékin
Les GRB sont les phénomènes explosifs les plus violents de l’univers. L’énergie émise en quelques secondes équivaut à l’énergie totale rayonnée par le soleil en 10 milliards d’années. Après un demi-siècle de recherche, les scientifiques ont compris que les GRBs proviennent d’environnements physiques très extrêmes, tels que des champs magnétiques élevés, une forte gravité et des vitesses ultra-rapides. Les GRB sont donc devenus des laboratoires de physique extrême privilégiés dans le domaine de l’astrophysique et même de la physique fondamentale. Les gens espèrent utiliser les GRB pour étudier l’histoire de l’évolution cosmique, l’origine des éléments lourds et la validité de la relativité, ainsi que d’autres questions importantes. Cependant, une compréhension approfondie des origines physiques des GRBs eux-mêmes est une condition préalable pour aborder ces questions.
Jusqu’à présent, des dizaines de milliers de GRB ont été détectés par l’homme, et presque toutes les percées dans la compréhension des GRB ont été motivées par l’observation d’événements exceptionnels. Le 9 octobre 2022, le GRB le plus brillant jamais enregistré (nommé plus tard GRB221009A) a été détecté, et les scientifiques ont estimé qu’un GRB aussi brillant traversant la Terre ne se produit qu’une fois tous les milliers d’années. L’humanité a eu une chance inouïe cette fois-ci, car le GRB221009A est tombé dans le champ de vision optimal de LHAASO. Répondant aux attentes, LHAASO a fourni pour la première fois la courbe de lumière complète et le spectre d’énergie d’un GRB à des énergies de l’ordre du TeV, ce qui a considérablement amélioré notre compréhension des mécanismes de rayonnement des GRB et des structures de jet.
Commentaires d’évaluateurs anonymes invités par la revue
- La collaboration LHAASO présente une observation très importante de la première rémanence d’un GRB dans le domaine d’énergie du TeV.
- Il s’agit d’un résultat expérimental extraordinaire qui mérite d’être publié rapidement et qui est parfaitement adapté à la revue – il est susceptible de devenir l’un des articles les plus cités dans le domaine. Je félicite la collaboration pour ce résultat, qui offre une perspective totalement nouvelle sur les GRBs à partir de cet événement « unique ».
- Les observations LHAASO du GRB 221009A ont capturé pour la première fois la phase ascendante du rayonnement de rémanence… J’aimerais féliciter la collaboration LHAASO pour ce résultat exceptionnel.
Référence : « A tera-electron volt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst » par LHAASO Collaboration, 8 juin 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adg9328