Les astronomes pensent que le GRB 221009A représente la naissance d’un nouveau trou noir formé au cœur d’une étoile en train de s’effondrer. Dans cette illustration, le trou noir entraîne de puissants jets de particules voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière. Les jets transpercent l’étoile, émettant des rayons X et des rayons gamma dans l’espace. Crédit : NASA/Swift/Cruz deWilde
L’année dernière, les télescopes du monde entier ont enregistré l’explosion cosmique la plus brillante de tous les temps. Les astrophysiciens peuvent désormais expliquer ce qui l’a rendue si éblouissante.
Peu d’explosions cosmiques ont attiré autant l’attention des scientifiques de l’espace que celle enregistrée le 22 octobre de l’année dernière et baptisée à juste titre la plus brillante de tous les temps (BOAT). L’événement, produit par l’effondrement d’une étoile très massive et la naissance subséquente d’un trou noir, a été observé sous la forme d’un flash immensément brillant de rayons gamma, suivi d’une lueur résiduelle s’estompant lentement sur l’ensemble des fréquences.
Depuis qu’ils ont capté le signal BOAT simultanément sur leurs télescopes géants, les astrophysiciens du monde entier se sont efforcés d’expliquer la luminosité du sursaut gamma (GRB) et la lenteur curieuse de sa rémanence.
Hendrik Van Eerten, du département de physique de l’université de Bath, au Royaume-Uni, a formulé une explication : le sursaut initial (connu sous le nom de GRB 221009A) était orienté directement vers la Terre et a entraîné dans son sillage une quantité anormalement importante de matière stellaire.
Les conclusions de l’équipe sont publiées aujourd’hui dans la prestigieuse revue Science Advances. Brendan O’Connor, doctorant récemment diplômé de l’Université du Maryland et de l’Université George Washington à Washington, DC, est l’auteur principal de l’étude.
Le Dr Van Eerten, qui a codirigé l’analyse théorique de la rémanence, a déclaré : « D’autres chercheurs travaillant sur cette énigme sont également parvenus à la conclusion que le jet était dirigé directement vers nous – un peu comme un tuyau d’arrosage incliné pour vous arroser directement – et cela explique en partie pourquoi il a été vu avec une telle intensité.
Mais ce qui est resté une énigme, c’est que les bords du jet n’étaient pas du tout visibles.
La rémanence du sursaut gamma le plus brillant de tous les temps, capturée par le télescope à rayons X de l’observatoire Neil Gehrels Swift. Crédit : NASA/Swift/A. Beardmore (Université de Leicester)
« La lenteur de l’extinction de la rémanence n’est pas caractéristique d’un jet de gaz étroit, et le fait de savoir cela nous a fait penser qu’il y avait une raison supplémentaire à l’intensité de l’explosion, ce que nos modèles mathématiques ont confirmé.
« Notre travail montre clairement que le GRB avait une structure unique, les observations révélant progressivement un jet étroit noyé dans un écoulement de gaz plus large, là où l’on s’attendrait normalement à un jet isolé ».
Qu’est-ce qui a rendu ce GRB plus large que la normale ? Les chercheurs ont une théorie. Comme l’explique le Dr Van Eerten : « Les jets de GRB doivent traverser l’étoile en effondrement dans laquelle ils se forment, et nous pensons que ce qui a fait la différence, dans ce cas, c’est la quantité de mélange qui s’est produite entre le matériau stellaire et le jet, de sorte que le gaz chauffé par choc a continué à apparaître dans notre ligne de mire jusqu’au point où toute signature caractéristique du jet aurait été perdue dans l’émission globale de la rémanence. »
Il ajoute : « Notre modèle permet de comprendre non seulement BOAT, mais aussi les précédents records de luminosité qui ont laissé les astronomes perplexes quant à l’absence de signature de jet. Ces GRB, comme les autres, doivent être dirigés directement vers nous lorsqu’ils se produisent, car il ne serait pas physique qu’une telle quantité d’énergie soit expulsée dans toutes les directions à la fois.
« Il semble qu’il existe une classe exceptionnelle d’événements qui sont à la fois extrêmes et parviennent à masquer la nature dirigée de leur flux de gaz. Des études futures sur les champs magnétiques qui lancent le jet et sur les étoiles massives qui les hébergent devraient aider à révéler pourquoi ces GRB sont si rares. »
Le Dr O’Connor a déclaré : « Le GRB 221009A, exceptionnellement long, est le GRB le plus lumineux jamais enregistré et sa rémanence bat tous les records à toutes les longueurs d’onde. Étant donné que ce sursaut est si brillant et si proche (d’un point de vue cosmique : il s’est produit à une distance mineure de 2,4 milliards d’années-lumière de la Terre), nous pensons qu’il s’agit d’une occasion unique de répondre à certaines des questions les plus fondamentales concernant ces explosions, depuis la formation des trous noirs jusqu’aux tests des modèles de la matière noire.
Pour plus d’informations sur cette étude, voir Surprising Phenomena Observed by NASA’s NuSTAR in Brightest Cosmic Explosion Ever.
Référence : « A structured jet explains the extreme GRB 221009A » par Brendan O’Connor, Eleonora Troja, Geoffrey Ryan, Paz Beniamini, Hendrik van Eerten, Jonathan Granot, Simone Dichiara, Roberto Ricci, Vladimir Lipunov, James H. Gillanders, Ramandeep Gill, Michael Moss, Shreya Anand, Igor Andreoni, Rosa L. Becerra, David A. H. Buckley, Nathaniel R. Butler, Stephen B. Cenko, Aristarkh Chasovnikov, Joseph Durbak, Carlos Francile, Erica Hammerstein, Alexander J. van der Horst, Mansi M. Kasliwal, Chryssa Kouveliotou, Alexander S. Kutyrev, William H. Lee, Gokul P. Srinivasaragavan, Vladislav Topolev, Alan M. Watson, Yuhan Yang et Kirill Zhirkov, 7 juin 2023, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.adi1405