Phénomènes surprenants observés par NuSTAR de la NASA dans l’explosion cosmique la plus brillante jamais détectée

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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 qui voyagent à une vitesse proche de celle de la lumière. Les jets transpercent l’étoile, émettant des rayons X et des rayons gamma en s’écoulant dans l’espace. Crédit : NASA/Swift/Cruz deWilde

Les observations du télescope à rayons X NuSTAR de la NASA donnent aux astronomes de nouveaux indices sur le sursaut gamma le plus brillant et le plus énergétique jamais détecté.

En octobre 2022, les scientifiques ont détecté le sursaut gamma le plus brillant jamais observé, baptisé GRB 221009A ou BOAT. Contrairement aux sursauts gamma précédents, le sursaut GRB 221009A présentait une structure de jet unique, avec un cœur étroit, des côtés plus larges et une variation d’énergie en fonction de la distance par rapport au cœur. Les phénomènes sans précédent observés dans le sursaut ont été documentés par l’observatoire NuSTAR de la NASA et par de nombreux télescopes à rayons X.

Lorsque les scientifiques ont détecté le sursaut gamma connu sous le nom de GRB 221009A le 9 octobre 2022, ils l’ont surnommé le plus brillant de tous les temps, ou BOAT. La plupart des sursauts gamma se produisent lorsque le cœur d’une étoile plus massive que notre soleil s’effondre et devient un trou noir. Ces événements libèrent régulièrement autant d’énergie en quelques minutes que notre soleil en libère pendant toute sa durée de vie. Des études complémentaires ont montré que le GRB 221009A était 70 fois plus lumineux et beaucoup plus énergétique que le précédent record. Bien que les scientifiques ne comprennent pas encore pourquoi, ils ont reçu un indice alléchant de l’observatoire NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA.

Un sursaut gamma typique

Un jet de particules transperce une étoile qui s’effondre dans un trou noir lors d’un sursaut gamma typique, comme le montre ce concept d’artiste. Le jet créé par le sursaut gamma 221009A présentait des caractéristiques uniques. Crédit : Centre de vols spatiaux Goddard de la NASA

Dans une étude publiée le 7 juin dans la revue Science Advances, les scientifiques ont utilisé les observations NuSTAR de l’événement pour montrer comment l’étoile en effondrement a éjecté un jet de matière qui avait une forme jamais observée auparavant parmi les jets de sursauts gamma, ainsi que d’autres caractéristiques uniques. Il est possible que la source de ces distinctions soit l’étoile progénitrice, dont les propriétés physiques pourraient influencer les caractéristiques du sursaut. Il est également possible qu’un mécanisme entièrement différent lance les jets les plus brillants dans l’espace.

Le sursaut gamma, le type d’explosion le plus énergétique de l’univers, peut être observé à des milliards d’années-lumière. Le GRB 221009A était si lumineux qu’il a aveuglé la plupart des instruments de mesure des rayons gamma dans l’espace lorsqu’il a été détecté le 9 octobre 2022. Crédit : Centre de vols spatiaux Goddard de la NASA

« Cet événement était tellement plus lumineux et plus énergique que tous les sursauts gamma que nous avons vus auparavant, c’est loin d’être le cas », a déclaré Brendan O’Connor, auteur principal de la nouvelle étude et astronome à l’université George Washington, à Washington. « Ensuite, lorsque nous avons analysé les données de NuSTAR, nous avons réalisé qu’il possédait également cette structure de jet unique. C’était vraiment passionnant, car nous n’avons aucun moyen d’étudier l’étoile qui a produit cet événement ; elle n’existe plus aujourd’hui. Mais nous disposons maintenant de données qui nous donnent des indices sur la façon dont elle a explosé ».

Jumbo Jet

Les rayons gamma sont la forme de lumière la plus énergétique de l’univers, mais ils sont invisibles à l’œil humain. Tous les sursauts gamma connus proviennent de galaxies situées en dehors de la Voie lactée, mais sont suffisamment lumineux pour être repérés à des milliards d’années-lumière. Certains sursauts clignotent et durent moins de deux secondes, tandis que les sursauts gamma dits longs émettent généralement des rayons gamma pendant une minute ou plus. Ces objets peuvent émettre d’autres longueurs d’onde pendant des semaines.

Hubble BOAT GRB Afterglow

Le télescope spatial Hubble a capturé la rémanence infrarouge (encerclée) du sursaut gamma connu sous le nom de GRB 221009A et de sa galaxie hôte. Ce composite incorpore des images prises le 8 novembre et le 4 décembre 2022, environ un et deux mois après l’éruption. La rémanence peut rester détectable pendant plusieurs années. Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University) ; Image Processing : Gladys Kober

Le GRB 221009A, un long sursaut gamma, était si brillant qu’il a aveuglé la plupart des instruments de mesure des rayons gamma dans l’espace. Les scientifiques américains ont pu reconstituer cet événement à l’aide des données du télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA afin de déterminer sa luminosité réelle. (Le BOAT a également été détecté par les télescopes spatiaux Hubble et James Webb de la NASA, par les engins spatiaux Wind et Voyager 1 de l’agence, ainsi que par la sonde Solar Orbiter de l’ESA, l’Agence spatiale européenne).

À l’instar d’autres sursauts gamma, le GRB 221009A a produit un jet qui a jailli de l’étoile en cours d’effondrement comme s’il avait été projeté dans l’espace par une lance à incendie, les rayons gamma irradiant le gaz chaud et les particules au cœur du jet. Mais le jet du GRB 221009A se distingue à plusieurs égards. Dans pratiquement tous les sursauts gamma observés précédemment, le jet est resté remarquablement compact et il n’y avait que peu ou pas de lumière parasite ou de matière en dehors du faisceau étroit. (En fait, les sursauts gamma sont si compacts que les rayons gamma ne peuvent être observés que lorsque leurs jets sont dirigés presque directement vers la Terre).

Télescope à grande surface de Fermi

Le Fermi Gamma-ray Space Telescope observe le cosmos en utilisant la forme de lumière la plus énergétique, offrant une fenêtre importante sur les phénomènes les plus extrêmes de l’univers, depuis les sursauts gamma et les jets de trous noirs jusqu’aux pulsars, aux restes de supernova et à l’origine des rayons cosmiques. Crédit : © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

En revanche, dans le GRB 221009A, le jet avait un cœur étroit et des côtés plus larges et inclinés. Certains des jets de rayons gamma les plus énergétiques ont montré des propriétés similaires, mais le jet du BOAT était unique sur un point important : L’énergie de la matière dans le GRB 221009A a également varié, ce qui signifie qu’au lieu que toute la matière dans le jet ait la même énergie – comme une seule balle tirée d’un fusil – l’énergie de la matière a changé en fonction de la distance par rapport au cœur du jet. Ce phénomène n’avait jamais été observé auparavant dans un jet de sursaut gamma de longue durée.

« Le seul moyen de produire une structure de jet différente et de faire varier l’énergie est de faire varier certaines propriétés de l’étoile qui a explosé, comme sa taille, sa masse, sa densité ou son champ magnétique », explique Eleonora Troja, professeur de physique à l’université de Rome, qui a dirigé les observations de NuSTAR sur l’événement. « Cela s’explique par le fait que le jet doit essentiellement se frayer un chemin hors de l’étoile. Ainsi, par exemple, le degré de résistance qu’il rencontre pourrait influencer les caractéristiques du jet ».

Concept d'étoile NuSTAR de la NASA

Concept d’artiste de NuSTAR en orbite. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Empreintes de pas dans la neige

Les astronomes peuvent voir la lumière des jets de rayons gamma, mais la distance les empêche de résoudre directement les images des jets. Les chercheurs doivent donc interpréter la lumière de ces jets pour en savoir plus sur les caractéristiques physiques des objets lointains. C’est un peu comme regarder des empreintes de pas dans la neige et en déduire quelque chose sur les caractéristiques physiques de la personne qui les a laissées.

Dans de nombreux cas, il peut y avoir plus d’une explication possible pour la lumière d’un événement cosmique. Plusieurs télescopes à rayons X ont observé le GRB 221009A, notamment l’observatoire Neil Gehrels Swift et le Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) de la NASA, ainsi que le télescope XMM-Newton de l’ESA. Les données de NuSTAR ont permis de réduire ces possibilités. Elles montrent qu’en se déplaçant dans l’espace, le jet est entré en collision avec le milieu interstellaire, c’est-à-dire la mer clairsemée d’atomes et de particules qui remplit l’espace entre les étoiles. Cette collision a produit des rayons X, des particules de lumière légèrement moins énergétiques que les rayons gamma.

« Il existe de nombreux télescopes à rayons X dans l’espace, chacun ayant une puissance différente qui peut aider les astronomes à mieux comprendre ces objets cosmiques », a déclaré Daniel Stern, scientifique du projet NuSTAR au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, en Californie du Sud.

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

En savoir plus sur la mission

Petite mission d’exploration dirigée par Caltech et gérée par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) pour le Science Mission Directorate de la NASA à Washington, NuSTAR a été développée en partenariat avec l’Université technique du Danemark et l’Agence spatiale italienne (ASI). Le vaisseau spatial a été construit par Orbital Sciences Corp. à Dulles, en Virginie. Le centre d’opérations de la mission NuSTAR se trouve à l’université de Californie, à Berkeley, et les archives officielles des données se trouvent au High Energy Astrophysics Science Archive Research Center de la NASA, au Goddard Space Flight Center de l’agence, à Greenbelt, dans le Maryland. L’ASI fournit la station au sol de la mission et un miroir d’archivage des données. Le Caltech gère le JPL pour la NASA.