Fermi observe un sursaut gamma « en train de disparaître » dans une supernova

Le 26 août 2020, le télescope spatial Fermi Gamma Ray de la NASA a détecté une impulsion de rayonnement de haute énergie qui a couru vers la Terre pendant près de la moitié de la durée de vie de l’univers actuel. Cela n’a duré qu’une seconde et s’est avéré être l’un des livres des records – le sursaut gamma (GRB) le plus court causé par la mort d’une étoile massive jamais vue.

Les GRB sont les événements les plus puissants de l’univers, et ils peuvent être détectés à travers des milliards d’années-lumière. Les astronomes le classent comme long ou court selon que l’événement durera plus de deux secondes ou moins. Ils remarquent de longues rafales associées à une disparition massive étoiles, tandis que les courtes rafales étaient liées à un scénario différent.

« Nous savions déjà que certains GRB d’étoiles massives pouvaient s’enregistrer comme des GRB courts, mais nous pensions que cela était dû à des limitations utiles », a déclaré Bin-bin Zhang de l’Université de Nanjing en Chine et de l’Université du Nevada à Las Vegas. -a vécu, mais ses autres propriétés indiquent son origine à partir d’une étoile en train de s’effondrer. Maintenant, nous savons que les étoiles mourantes peuvent produire courtes rafales, également. »

Nommée GRB 200826A, après la date de son apparition, l’éruption a fait l’objet de deux articles publiés dans astronomie naturelle Lundi 26 juillet. Le premier, dirigé par Zhang, explore les données de rayons gamma. La seconde, dirigée par Thomas Ahomada, doctorant à l’Université du Maryland, College Park et au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, décrit la décoloration des multiples longueurs d’onde des aurores GRB et la lumière émergente de la supernova qui s’ensuit. explosion.

« Nous pensons que cet événement était effectivement un échec, un événement qui était sur le point de ne pas se produire du tout », a déclaré Ahumada. « Cependant, l’explosion a libéré 14 millions de fois plus d’énergie que l’ensemble de la Voie lactée au cours de la même période, ce qui en fait l’un des GRB à courte portée les plus actifs de tous les temps. »

Lorsqu’une étoile beaucoup plus grosse que le Soleil manque de carburant, son noyau s’effondre soudainement et forme un trou noir. Au fur et à mesure que la matière tourne vers le trou noir, une partie s’en échappe sous la forme de deux jets puissants se précipitant vers l’extérieur à presque la vitesse de la lumière dans des directions opposées. Les astronomes ne détectent un GRB que lorsque l’un de ces jets pointe presque directement vers la Terre.

Chaque jet traverse l’étoile, produisant une impulsion de rayons gamma – la forme d’énergie la plus élevée – qui peut durer jusqu’à quelques minutes. Après l’explosion, l’étoile brisée se développe rapidement en une supernova.

D’autre part, les GRB courts se forment lorsque des paires d’objets compacts – comme les étoiles à neutrons, qui se forment également lors de l’effondrement stellaire – entrent en collision vers l’intérieur sur des milliards d’années. Récemment, des observations de Fermi ont permis de montrer que, dans les galaxies voisines, les éruptions géantes d’étoiles à neutrons isolées et d’étoiles supermagnétiques se font également passer pour de courts GRB.

GRB 200826A était une explosion brutale d’émissions à haute énergie qui n’a duré que 0,65 seconde. Après avoir voyagé pendant plusieurs éons à travers l’univers en expansion, le signal s’est étiré sur environ une seconde lorsqu’il a été détecté par l’instrument Fermi observant le sursaut gamma. L’événement a également été présenté dans les instruments à bord de la mission Wind de la NASA, qui orbite un point entre la Terre et le soleil à environ 930 000 miles (1,5 million de kilomètres), et Mars Odyssey, qui orbite autour de la planète rouge depuis 2001. ESA (European Space Continuity ) Le satellite INTEGRAL de l’agence a également explosé.

Toutes ces missions participent à un système de positionnement GRB appelé International Planetary Network (IPN), pour lequel le projet Fermi fournit l’intégralité du financement américain. Étant donné que les éclaboussures atteignent chaque détecteur à des moments légèrement différents, n’importe quelle paire d’entre eux peut être utilisée pour aider à affiner l’endroit où elle se produit dans le ciel. Environ 17 heures après le GRB, l’IPN a réduit sa position à une portion de ciel relativement petite dans la constellation d’Andromède.

À l’aide de la Zwicky Transit Facility (ZTF) financée par la National Science Foundation à l’observatoire de Palomar, l’équipe a scanné le ciel à la recherche de changements dans la lumière visible qui pourraient être liés à la décoloration des aurores GRB.

« Faire cette recherche, c’est comme essayer de trouver une aiguille dans une botte de foin, mais l’IPN aide à réduire la botte de foin », a déclaré Shreya Anand, étudiante diplômée à Caltech et co-auteur de l’article Twilight. « Sur les plus de 28 000 alertes ZTF de la première nuit, une seule répondait à tous nos critères de recherche et est également apparue dans la région du ciel définie par l’IPN. »

Moins d’un jour après l’explosion, l’observatoire Neil Gehrells Swift de la NASA a détecté une émission de rayons X en déclin au même endroit. Deux jours plus tard, une émission radio variable a été détectée par le Karl Jansky Very Large Array du National Astronomy Radio Observatory au Nouveau-Mexique. L’équipe a ensuite commencé à observer l’aurore avec une variété d’installations au sol.

En observant la faible galaxie associée à l’explosion à l’aide du Gran Telescopio Canarias, un télescope de 10,4 mètres de l’observatoire Roque de los Muchachos à La Palma, dans les îles Canaries, en Espagne, l’équipe a montré que sa lumière met 6,6 milliards d’années pour nous atteindre. Cela représente 48% de l’âge actuel de l’univers de 13,8 milliards d’années.

Mais pour prouver que cette courte rafale provenait de l’effondrement d’une étoile, les chercheurs devaient également capturer la supernova émergente.

« Si l’explosion a été causée par l’effondrement d’une étoile, une fois que l’aurore suivante s’est estompée, elle devrait s’allumer à nouveau en raison de l’explosion de la supernova primaire », a déclaré Leo Singer, astrophysicien chez Goddard et conseiller de la recherche Ahumada. « Mais à ces distances, vous avez besoin d’un très grand télescope très sensible pour capturer le point lumineux de la supernova à partir de l’éblouissement de fond de la galaxie hôte. »

Pour mener ses recherches, Singer a utilisé le télescope Gemini North de 8,1 mètres à Hawaï et a utilisé un instrument sensible appelé Gemini Multi-Object Spectrometer. Les astronomes ont imagé la galaxie hôte en lumière rouge et infrarouge à partir de 28 jours après l’explosion, répétant la recherche 45 et 80 jours après l’événement. Ils ont découvert une source proche infrarouge – une supernova – dans la première série d’observations qui ne peut pas être vue sur les observations suivantes.

Les chercheurs pensent que cette explosion a été provoquée par des jets qui ont à peine quitté l’étoile avant de se fermer, plutôt que le cas plus courant où des jets de longue durée jaillissent de l’étoile et parcourent de longues distances. Si le trou noir a émis des jets plus faibles, ou si l’étoile était beaucoup plus grosse lorsqu’elle a commencé à s’effondrer, il se peut qu’il n’y ait pas eu de GRB du tout.

Cette découverte aide à résoudre un mystère de longue date. Alors que les GRB longs doivent être associés aux supernovae, les astronomes découvrent un nombre beaucoup plus important de supernovae que de longues. Cet écart persiste même après avoir tenu compte du fait que les GRB doivent se rapprocher de notre ligne de mire pour que les astronomes puissent les détecter.

Les chercheurs concluent que les étoiles qui s’effondrent qui produisent des GRB courts doivent être des états marginaux dans lesquels des jets à la vitesse de la lumière oscillent au bord du succès ou de l’échec, une conclusion cohérente avec l’idée que la plupart énormes étoiles Il meurt sans produire d’avions ni de GRB. Plus largement, ce résultat démontre clairement que la durée de la rafale à elle seule n’indique pas uniquement sa source.