Des explosions extra-longues remettent en question nos théories des cataclysmes cosmiques | Magazine Quanta

Le 11 décembre 2021, un faisceau de rayons gamma – la forme de lumière la plus énergétique – a percuté le satellite Swift de la NASA. En 120 secondes, le satellite pivota vers l’explosion et repéra les braises incandescentes d’une catastrophe cosmique. Dix minutes plus tard, des alertes ont été envoyées aux astronomes du monde entier.

Parmi eux, Jillian Rastinejad, étudiant diplômé à l'Université Northwestern. Pour Rastinejad et ses collaborateurs, ce sursaut gamma ressemblait étrangement à un sursaut inhabituel de 2006. Rastinejad a appelé l'observatoire Gemini à Hawaï et a enrôlé des chercheurs là-bas pour observer profondément la partie du ciel d'où venait l'éclatement. Quelques jours plus tard, lorsque les nuages ​​sont arrivés, un chercheur de l'observatoire MMT en Arizona a pris le relais, faisant de son mieux pour maintenir le télescope orienté sur le point de lumière qui s'estompait, à un milliard d'années-lumière.

Ce n'était pas une mince affaire étant donné que le temps tournait là aussi, a déclaré Rastinejad. « Elle nous a trouvé un trou dans les nuages ​​tous les jours vers 4 heures du matin. »

Au moment où la chaîne d'observations s'est terminée une semaine plus tard, Rastinejad et ses collègues avaient une assez bonne idée de ce qui avait déclenché ces rayons gamma à travers l'univers. Sous leurs yeux, les conséquences de l'explosion étaient devenues de plus en plus rouges – un signe indubitable que dans les débris, des atomes lourds comme l'or et le platine étaient en train d'être forgés. La principale source d’une telle alchimie cosmique réside dans les collisions impliquant des étoiles à neutrons, les noyaux d’une densité inimaginable de soleils morts.

Le seul problème était qu’une telle conclusion semblait impossible. Lorsque les étoiles à neutrons fusionnent, soupçonnent les astrophysiciens, tout se termine en une fraction de seconde. Mais Swift avait enregistré un bombardement de rayons gamma d’une durée relativement interminable de 51 secondes – normalement la signature d’un type très différent de drame cosmique.

Depuis lors, les astronomes ont identifié davantage d’événements de ce type. Le plus récent s'est produit en mars, lorsque le deuxième sursaut gamma le plus brillant jamais détecté a duré 35 secondes. Encore une fois, les astronomes ont observé les conséquences rouges d’une collision d’étoiles à neutrons. Ils ont également recruté le télescope spatial James Webb pour étudier l'éclatement bizarre et des signes repérés de l'élément lourd tellure dans la poussière qui se dépose.

Ensemble, cette série d'observations apporte un nouveau mystère dans un domaine de l'astronomie que la plupart des chercheurs considéraient comme réglé : qu'est-ce qui fait que ces événements soi-disant rapides et violents émettent des rayons gamma pendant si longtemps ? C'est une énigme que les astrophysiciens devront résoudre s'ils veulent atteindre l'objectif plus ambitieux de comprendre les origines de tous les différents éléments de l'univers, dont beaucoup sont nés de ces explosions violentes.

"J'étais vraiment excité de voir ça", a déclaré Daniel Kasen, astrophysicien à l'Université de Californie à Berkeley, spécialisé dans les explosions cosmiques. "Cela a posé un véritable casse-tête."

Guerre froide, explosions brillantes

Aujourd’hui, Swift capte un sursaut gamma tous les quelques jours. Mais ces explosions étaient inconnues jusqu’au plus fort de la guerre froide, lorsqu’elles sont apparues de nulle part. Dans les années 1960, l’US Air Force a lancé les satellites Vela pour s’assurer que l’Union soviétique respectait l’interdiction des essais d’armes nucléaires. Si les Soviétiques faisaient exploser une bombe nucléaire dans l’espace, l’éclair de rayons gamma qui en résulterait – des ondes lumineuses énergétiques aussi courtes que le noyau d’un atome – serait impossible à cacher.

Les satellites n’ont détecté aucune violation soviétique. Mais entre 1969 et 1972, ils ont repris 16 flashs mystérieux de rayons gamma que les chercheurs du laboratoire national de Los Alamos ont déterminé comme étant « d’origine cosmique ».

Au cours des décennies suivantes, la NASA s’est lancée dans l’enquête. L'agence spatiale a lancé un satellite dédié à la chasse aux rafales en 1991 et au cours des neuf années suivantes, il a détecté près de 3,000 XNUMX sursauts gamma. Les événements se déclinaient en deux variétés : courtes et longues. La plupart des rafales courtes duraient moins d'une seconde, tandis que de nombreuses rafales longues duraient une minute ou plus (la ligne de démarcation entre les deux saveurs se situe à environ deux secondes).

La cause de ces explosions semblait catastrophique ; en moins de la moitié de la durée d’une chanson pop, ils ont émis à peu près autant d’énergie que notre soleil en produit sur des milliards d’années. Qu'est-ce qui pourrait bien briller avec autant d'éclat ? Au début, les astrophysiciens n'en étaient pas sûrs, mais les énormes énergies impliquées laissaient présager des cataclysmes mettant fin au monde. Et les deux durées faisaient allusion à deux types de catastrophes, une plus rapide durant environ une seconde et une (un peu) plus lente se déroulant sur une minute.

Les astronomes ont d’abord découvert l’origine des sursauts plus lents. À la fin des années 1990, lorsque les chercheurs ont réussi à mieux déterminer la direction d’où provenait une explosion, ils ont commencé à capter des rémanences faisant allusion à des explosions cosmiques. Puis, en 2003, des astronomes observant une rémanence à proximité ont vu le brillant feu d'artifice d'une supernova quelques jours seulement après un long sursaut gamma : ce sursaut avait marqué la première étape de la mort d’une étoile géante.

Comprendre un cataclysme plus rapide nécessiterait encore une décennie et des outils plus pointus. L'instrument révolutionnaire s'est avéré être le satellite Swift de la NASA. Lancé en 2004, Swift comportait une plaque de plomb à motifs d'un mètre de long capable de capter les rayons gamma provenant d'une large bande du ciel. Surtout, il possédait également la capacité unique de faire pivoter rapidement une paire de télescopes embarqués dans la direction de toute explosion astronomique. (Selon la tradition des scientifiques de Swift, cette technologie de type « viser et tirer » a été partiellement développée pour un autre projet de défense de la guerre froide : l'Initiative de défense stratégique de Ronald Reagan – officieusement connue sous le nom de « Guerre des étoiles » – qui visait à abattre des missiles nucléaires en plein vol. )

Avec Swift, les astronomes peuvent désormais observer une sursaut en deux minutes – assez rapidement pour capter pour la première fois les rémanences de courts sursauts gamma. Tout en observant le flash initial s'estomper, les astronomes ont également vu des signes d'une explosion qui a suivi, qui est devenue de plus en plus rouge avec le temps. Les astrophysiciens ont vite calculé que cette rougeur était prévisible après une fusion impliquant une étoile à neutrons (qui pourrait être un fracas entre deux étoiles à neutrons ou entre une étoile à neutrons et un trou noir). Une telle collision expulserait les débris qui bloquaient les longueurs d’onde de lumière plus courtes et plus bleues. La comparaison de ces explosions, surnommées kilonovas, avec les brefs éclairs de rayons gamma qui les ont précédés a fourni des preuves circonstancielles solides que les fusions d'étoiles à neutrons étaient une courte catastrophe.

Preuve directe est survenu le 17 août 2017. Deux étoiles à neutrons proches sont entrées en collision et ont secoué le tissu de l'espace-temps, produisant des ondes gravitationnelles que l'observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) a pu détecter. En lisant les informations codées dans ces ondulations, les scientifiques calculeraient plus tard les masses des objets en collision et apprendraient qu’il s’agissait d’étoiles à neutrons. Juste après l’arrivée des ondes gravitationnelles, le télescope spatial Fermi à rayons gamma a capté un sursaut gamma de deux secondes. Et dans les jours suivants, les astronomes ont observé la rougeur révélatrice d’une kilonova au même endroit que le sursaut gamma. Le trois observations consécutives laissait peu de place au doute : de courtes sursauts pourraient provenir de fusions d’étoiles à neutrons.

"Cela a tout cimenté", a déclaré Brian Metzger, astrophysicien à l'Université de Columbia et l'un des théoriciens qui ont été les premiers à prédire à quoi ressemblerait la kilonova après une fusion. "[Nous avons pensé] 'OK, cette image a vraiment du sens.'"

Cette image commence maintenant à se fracturer.

Une torsion du troisième acte

Vint d'abord celui de Rastinejad Rafale de 51 secondes fin 2021. Cela ressemblait beaucoup à une longue sursaute proche de 2006 qui, étonnamment, semblait dépourvue de supernova. Mais grâce à des instruments modernes et à une compréhension plus approfondie de ce qu’il fallait rechercher, Rastinejad et ses collègues ont pu voir ce que les astronomes n’avaient pas vu en 2006 : l’éclatement de 2021 a été suivi d’une kilonova rouge pâle.

Cette observation a incité André Levan de l'Université Radboud pour revisiter une mystérieuse explosion de 64 secondes sur laquelle il s'interrogeait depuis 2019. L'explosion s'était produite au cœur d'une ancienne galaxie où les naissances et les morts d'étoiles (sous forme de supernovas) avaient cessé depuis des lustres. En juin, Levan et ses collaborateurs ont argumenté que l'explication la plus probable de leur longue explosion était que deux cadavres stellaires – dont au moins un était probablement une étoile à neutrons – s'étaient trouvés et avaient fusionné.

Et maintenant, le télescope spatial James Webb a fourni la vue la plus claire à ce jour de ce qui se produit après une sursaut anormal. Lorsque l'explosion de 35 secondes a atteint la Terre le 7 mars, la plaque de plomb de détection des rayons gamma de Swift était orientée dans une direction différente. Les rayons énergétiques ont été détectés principalement par Fermi, qui les a classés comme le deuxième sursaut gamma le plus brillant de tous les temps (après un événement record dans 2022).

Au lieu de Swift, les astronomes ont utilisé une flotte interplanétaire de vaisseaux spatiaux (comprenant des sondes sur Mars et Mercure) pour localiser la position de l'explosion. Dans les jours qui ont suivi, lorsque les télescopes au sol ont de nouveau vu la rougeur caractéristique d'une kilonova, Levan a rapidement lancé une demande d'urgence pour une observation JWST presque en temps réel de l'événement. "Heureusement pour nous, ils ont dit oui", a déclaré Levan. "Cela nous a permis d'obtenir ces observations environ un mois après la première rafale."

JWST a collecté une multitude de données sur le champ de débris gonflés. Les télescopes optiques ne peuvent pas voir profondément dans l'épais nuage de kilonova, précisément pour la raison pour laquelle cet événement captive les astrophysiciens : il crache des atomes géants bloquant la lumière à travers une chaîne d'événements mystérieux connue sous le nom de r-processus.

Les étoiles fusionnent généralement des atomes d’hydrogène en hélium, puis fusionnent plus tard des atomes plus légers en atomes un peu plus lourds comme l’oxygène et le carbone. Le r-le processus est l'un des seuls moyens de passer directement aux éléments naturels les plus lourds. En effet, une collision d’étoiles à neutrons crée un tourbillon dense de neutrons. Dans le chaos, les neutrons se frayent un chemin à plusieurs reprises dans les noyaux atomiques, formant des atomes hautement instables et radioactifs. À mesure que les neutrons de ces atomes se désintègrent, ils se transmuent en protons. Si vous obtenez 78 protons, cela représente un atome de platine. Si vous obtenez 79 protons, c'est de l'or.

Les atomes volumineux forgés par la poussière d’une étoile à neutrons bloquent la lumière visible et brillent principalement dans la lumière infrarouge. C'est pourquoi JWST, un télescope infrarouge, était si bien adapté pour observer un nuage de kilonova. "Nous n'avons jamais observé de kilonova avec JWST auparavant", a déclaré Metzger. "C'est l'instrument parfait."

Dans les débris, JWST a repéré des atomes de tellure (52 protons), ce qui confirme que les fusions d'étoiles à neutrons peuvent forger les éléments plutôt lourds vers la fin de la cinquième rangée du tableau périodique. "C'est un élément beaucoup plus lourd que ceux que nous avons vus auparavant", a déclaré Levan.

Mais dans le même temps, l’observation du JWST renforce la prise de conscience croissante que, aussi improbable que cela paraisse autrefois, les fusions impliquant des étoiles à neutrons peuvent produire de longs sursauts gamma. La question est maintenant : Comment ?

Objets denses, longues rafales

Les supernovas émettent de longs sursauts gamma car les explosions stellaires sont relativement lentes et désordonnées. La mort d'une étoile géante commence par l'effondrement de son centre en un trou noir. Après cela, une quantité substantielle de la substance stellaire externe – s’ajoutant peut-être à la masse de plusieurs soleils – spirale dans le trou noir, lançant de puissants jets de particules qui projettent des rayons gamma dans le vide pendant plusieurs minutes.

En revanche, les fusions d’étoiles à neutrons sont censées se terminer en un éclair. Une étoile à neutrons regroupe la masse d’un soleil ou deux dans une petite sphère lisse de seulement quelques kilomètres de diamètre. Lorsque deux de ces orbes denses entrent en collision – ou lorsque l’un d’eux pénètre dans un trou noir – la matière s’effondre dans un trou noir. Au cours de ce spasme final, beaucoup moins de matière restante est projetée en orbite que dans le cas d’un effondrement stellaire. Alors que le trou noir écrase cette collation légère, qui pourrait peser 10 fois moins que le soleil, il alimente brièvement des jets (et un sursaut gamma) d'une durée de dixièmes de seconde.

Les nouvelles observations de Levan, Rastinejad et d’autres contrastent avec cette image rapide et nette des fusions d’étoiles à neutrons. "Cela n'a aucun sens d'avoir une rafale de 10 secondes provenant d'un système qui ne vit qu'une fraction de seconde", a déclaré Minerai Gottlieb, un astrophysicien computationnel du Flatiron Institute qui n'a pas participé aux observations.

Une possibilité est que quelque chose de plus grand et de plus désordonné que les étoiles à neutrons envoie ces explosions durables. En particulier, leur durée plus longue correspondrait plus naturellement à une fusion entre une naine blanche – une sorte de cadavre stellaire plus grand laissé derrière elle lorsqu’une petite étoile manque de carburant – et un trou noir ou une étoile à neutrons. Ce scénario entraîne davantage de matière autour d’un trou noir. Mais il n’est pas clair si des collisions impliquant des naines blanches produiraient les bons types de sursauts gamma, voire des kilonovas. "Le phénomène dans son ensemble a été beaucoup moins étudié", a déclaré Kasen de Berkeley. "Nous y travaillons en ce moment."

Une autre option est que les longs sursauts gamma ne proviennent pas du tout de trous noirs nouveau-nés. Au lieu de cela, si vous écrasez deux minuscules étoiles à neutrons et que la goutte résultante tourne assez vite, elle pourrait résister à l’effondrement en un trou noir pendant quelques minutes. L’objet à courte durée de vie serait une étoile à neutrons hautement magnétisée – un « magnétar » – qui émettrait un sursaut gamma plus long à mesure que sa tourbillonnement ralentirait. Metzger a contribué à élaborer ce scénario, mais même lui le considère comme une notion radicale. "Je suis toujours sceptique, à juste titre", a-t-il déclaré.

La possibilité la plus prudente, a déclaré Metzger, est que les fusions impliquant des étoiles à neutrons soient tout simplement plus compliquées que ne le pensaient les astrophysiciens. Au cours de l'été, simulations détaillées d'une collaboration dirigée par Gottlieb a suggéré que cela pourrait souvent être le cas. En particulier, lorsqu'une étoile à neutrons légère rencontre un trou noir en rotation suffisamment lourd, l'étoile à neutrons entre en spirale et le trou noir la déchiquete sur des centaines d'orbites, laissant un disque de matière plus lourd que le trou noir a besoin de dizaines de secondes pour consommer. . En simulant des collisions entre étoiles à neutrons et trous noirs, Gottlieb, Metzger et leurs collaborateurs ont découvert que les disques plus lourds provoquant des sursauts gamma plus longs étaient assez courants.

En fait, ironiquement, leurs simulations n’ont pas produit les courtes rafales souvent observées aussi facilement que les longues rafales, ce qui soulève des questions sur ce qui alimente exactement ces courtes rafales.

"Nous ne comprenons pas [entièrement] ces choses", a déclaré Gottlieb. "Je pense que c'est probablement le plus gros problème actuellement."

Combler les lacunes

Pour comprendre ce qui se passe réellement lorsque des étoiles mortes entrent en collision, les astronomes devront redoubler d'efforts pour construire un catalogue détaillé des sursauts gamma, car ce qu'ils pensaient être un lot d'explosions principalement provoquées par des supernovas semble maintenant être mélangé. avec un nombre inconnu de fusions d'étoiles à neutrons. Cela nécessitera la recherche de kilonovas – la signature des collisions – après de longues et de courtes rafales. Si la distinction entre long et court persiste, cela pourrait être le signe qu'il existe plusieurs façons de préparer une kilonova.

"Nous apprenons que chaque fois qu'il y a un événement relativement proche, nous devons y aller", a déclaré Rastinejad.

LIGO jouera également un rôle essentiel. L'observatoire était hors ligne pour des mises à niveau lors de ces récentes sursauts étranges, mais il est actuellement au milieu de sa quatrième utilisation à l'écoute des collisions lointaines. Si LIGO peut capter les ondes gravitationnelles provenant d’un long sursaut gamma, les scientifiques sauront si des étoiles à neutrons ou des trous noirs sont impliqués. Cela leur permettra également d'exclure les naines blanches, qui ne rendent pas les ondes gravitationnelles détectables par LIGO. Des mouvements détaillés des vagues dans les futurs observatoires pourraient même donner des indications quant à savoir si le produit immédiat était un magnétar ou un trou noir.

"[Les ondes gravitationnelles] seront vraiment la seule voie définitive sur cette question", a déclaré Metzger.

En détectant les grondements gravitationnels des fusions d’étoiles à neutrons et en observant les sursauts gamma et les kilonovas, les astrophysiciens pourraient éventuellement atteindre leur objectif à long terme consistant à rendre pleinement compte de l’origine de chaque substance de l’univers – de l’hydrogène au platine en passant par le plutonium. Pour ce faire, ils doivent savoir quels types de fusions se produisent, quelle est la fréquence de chaque type, quels éléments chaque type produit et en quelles quantités, et quel rôle jouent d’autres événements comme les supernovas. C'est une entreprise ardue qui ne fait que commencer.

"L'objectif principal est toujours de déterminer les sites astrophysiques où se forme chaque élément du tableau périodique", a déclaré Levan. « Il y a encore des vides, et nous pensons donc que cela commence à combler plusieurs de ces vides importants. »

NDLR : Le Flatiron Institute est financé par la Fondation Simons, qui finance également ce magazine éditorialement indépendant. Ni le Flatiron Institute ni la Fondation Simons n’ont aucune influence sur notre couverture. Plus d'informations disponibles ici.