Première détection d'un élément lourd à 52 protons dans une fusion d'étoiles à neutrons

Publié par Adrien le 28/11/2023 à 06:00
Source: Observatoire de Paris
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Mobilisant plusieurs télescopes, terrestres et spatiaux, une équipe internationale, incluant trois scientifiques de l'Observatoire de Paris - PSL, a observé GRB 230307A, un long sursaut gamma, l'un des plus brillants jamais détectés. Après en avoir identifié la source - une explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) provoquée par une fusion d'étoiles à neutrons-, elle a pu, à l'aide du télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) Webb, détecter l'élément chimique du tellure, issu du phénomène explosif. Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature du 25 octobre 2023.

GRB 230307A est le deuxième sursaut gamma le plus brillant jamais observé. Son étude a permis de révéler du tellure, un élément plus rare que le platine sur Terre. D'autres éléments proches du tellure dans le tableau périodique - comme l'iode, qui est nécessaire à une grande partie de la vie sur Terre - sont également susceptibles d'être présents parmi les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) éjectés, lors de ce phénomène explosif.


Les résultats publiés dans la revue Nature du 25 octobre 2023 confortent l'hypothèse selon laquelle les fusions d'étoiles à neutrons constituent l'une des principales sources de production et d'expulsion dans le milieu interstellaire de certains des éléments les plus lourds connus dans l'Univers.

Alors que les fusions d'étoiles à neutrons ont longtemps été théorisées comme étant les cocottes-minute idéales pour créer certains des éléments les plus rares et les plus lourds connus aujourd'hui, les astronomes ont rencontré jusqu'ici un certain nombre d'obstacles pour en obtenir des preuves solides.

Les sursauts gamma courts (traditionnellement considérés comme durant moins de deux secondes) et les kilonovae, que l'on attribue généralement à l'explosion produite par des fusions d'astres compacts, sont en effet des phénomènes extrêmement rares, ce qui les rend difficilement observables.

GRB 230307A: un sursaut particulièrement remarquable

Détecté pour la première fois par le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le...) Fermi de la NASA, le 7 mars 2023, GRB 230307A est le sursaut le plus brillant jamais observé en plus de 50 ans: environ 1 000 fois plus lumineux qu'un sursaut gamma classique observé par Fermi.

Ce sursaut a également duré 200 secondes. Ceci le place résolument dans la catégorie des sursauts gamma de longue durée, provenant en principe de l'effondrement d'une étoile massive (ce qui n'est pas le cas ici).

Une combinaison de plusieurs télescopes au sol et dans l'espace a permis aux scientifiques de rassembler une mine d'informations sur cet événement, dès la première détection de l'explosion.

Après celle-ci, une série intensive d'observations a été menée pour en localiser la source dans le ciel et suivre l'évolution de sa luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...): menées dans les rayons gamma, les rayons X, l'optique, l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) et la radio, ces observations ont montré que la contrepartie optique/infrarouge était de faible intensité et qu'elle évoluait rapidement dans le temps, en passant du bleu au rouge, présentant toutes les caractéristiques d'une kilonova.

L'apport du Webb Telescope

Le spectre de la source, obtenu grâce au télescope James Webb, présente également de larges raies qui montrent que le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) est éjecté à grande vitesse, avec une signature très claire: la présence du tellure, un élément plus rare que le platine sur Terre.


Cette présentation graphique compare les données spectrales de la kilonova du GRB230307A observées par le télescope spatial James Webb avec un modèle représentant ce type de phénomène. Les données et le modèle montrent un pic distinct dans la bande de longueurs d'onde associée au tellure (zone ombrée en rouge). La détection du tellure, qui est plus rare que le platine sur Terre, traduit une avancée majeure dans notre compréhension de ces phénomènes explosifs.
© NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Les capacités infrarouges très sensibles de Webb ont aussi aidé les scientifiques à localiser l'"adresse cosmique" des deux étoiles à neutrons qui ont provoqué la kilonova: une galaxie spirale située à environ 120 000 années-lumière de la zone où s'est produite la fusion.

Comme le duo était lié gravitationnellement, les deux étoiles ont été propulsées ensemble dans l'espace à deux occasions distinctes:
- lorsque l'une des deux étoiles a explosé en supernova et est devenue une étoile à neutrons,
- et lorsque l'autre lui a emboîté le pas.

Ce système binaire a donc été expulsé de sa galaxie d'origine et a parcouru en distance l'équivalent d'environ le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) de la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...), avant de fusionner plusieurs centaines de millions d'années plus tard.


Cette image de l'instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) du télescope spatial James Webb de la NASA met en évidence le sursaut gamma (GRB) 230307A et sa kilonova associée, ainsi que son ancienne galaxie d'origine. Les étoiles à neutrons ont probablement été expulsées de leur galaxie d'origine et ont parcouru une distance d'environ 120 000 années-lumière, soit environ le diamètre de la Voie lactée, avant de fusionner plusieurs centaines de millions d'années plus tard pour former le sursaut GRB230307A.
© NASA, ESA, CSA, A. Levan (Université Radboud).

Les scientifiques s'attendent à l'avenir à trouver davantage de kilonovae, notamment grâce aux possibilités toujours plus nombreuses de combiner les télescopes spatiaux et terrestres, avec aussi les détecteurs d'ondes gravitationnelles, pour étudier les phénomènes variables dans l'Univers.

Leurs moyens seront enrichis, à partir du printemps 2024, avec la mission spatiale sino-française SVOM, dédiée à la détection, localisation et étude des sursauts gamma.

Référence

Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature du 25 octobre 2023 sous le titre: Heavy element production in a compact object merger observed by JWST, Levan et al.
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