Vidéo: Une explosion cosmique exceptionnelle

Publié par Redbran le 08/06/2021 à 13:00
Source: CEA IRFU
Le 29 août 2019, les scientifiques de la collaboration H.E.S.S. enregistrent une explosion cosmique parmi les plus brillantes jamais observées dans l'Univers. Ce sursaut gamma a émis les photons les plus énergétiques jamais détectés dans ce type d'événement. Sous la direction des chercheurs de l'Irfu, les observations ont continué pendant plusieurs jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...). L'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la...) recueillies remet en question l'origine des rayons produits lors de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...). Ces résultats font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'une publication par l'équipe internationale à laquelle participent des chercheurs du CEA et du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) dans la revue Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) le 4 juin 2021.


Illustration des télescopes de H.E.S.S. détectant les gerbes de particules issues de l'interaction des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) de hautes énergies. dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). © DESY (Le DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, « Synchrotron d'électrons allemand ») est...) - Science Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) Lab

"Les sursauts gamma sont des flashs lumineux de rayons X et gamma observés dans le ciel, émis par des sources extragalactiques lointaines", explique Edna Ruiz Velasco du MPIK à Heidelberg (Heidelberg est une ville d'Allemagne située dans la vallée du Neckar, au nord-ouest du...) en Allemagne, l'un des auteurs correspondants de l'article. "Ce sont les explosions les plus violentes de l'Univers et celles qui durent plus de quelques secondes sont vraisemblablement associées à l'effondrement d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) massive (Le mot massif peut être employé comme :) en un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...)".

Les émissions des sursauts se divisent en deux phases distinctes:
- la première, dite phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) d'émission rapide et brillante, ne dure que quelques secondes,
- la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) phase quant à elle est plus lente (La Lente est une rivière de la Toscane.), elle se fane plus doucement et peut persister plusieurs jours, voire plusieurs semaines. L'émission de rayons à haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) lors de la deuxième phase surnommée "rémanence", est provoquée par l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) d'électrons dans les chocs, résultants de l'explosion, dans les milieux ambiants de l'étoile morte.


Les différentes étapes du model de la boule de feu souvent utilisé pour décrire l'émission des sursauts gamma. Crédit: NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...).


Image par le télescope optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) GTC du sursaut gamma (Les sursauts gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons...) GRB190829A et de son galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) hôte J025810.28- 085719.2. Crédit Hu, et al. (2021).
L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) exceptionnelle du sursaut gamma parmi les plus proches jamais enregistrés.

Le sursaut GRB19829A a été détecté par les observatoires spatiaux Fermi et Swift le 29 Aout 2019. Le sursaut lui-même n'est pas exceptionnellement brillant. Cependant, il a été localisé dans une galaxie relativement proche: son décalage au rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...), le 'redshift', a été mesuré par le télescope optique GTC à z= 0.0785 (correspondant quand même à ~1.1 milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent...) années lumières). La détection d'un sursaut gamma si proche est un évènement exceptionnel et rare. À titre de comparaison, les sursauts typiques se situent à environ 20 milliards d'années-lumière.

L'équipe a capté la rémanence de l'explosion dès qu'elle est devenue visible pour les télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) en Namibie. "Le signal était suffisamment fort pour être détecté immédiatement ! Cela nous a permis d'informer rapidement la communauté mondiale", note Fabian Schüsslerdu CEA-Irfu qui coordonne l'équipe en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de l'analyse de ce sursaut gamma.

Observations du GRB190829A avec H.E.S.S.

H.E.S.S. a observé le sursaut GRB190829A la nuit suivant la détection par les instruments spatiaux et a immédiatement détecté un signal de rayons gamma à très hautes énergie.

Sous la direction des chercheurs de l'Irfu, les observations ont continué pendant plusieurs jours et les analyses ont révélé que le signal était visible pendant trois jours consécutifs avec une significativité statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) de 21.7 σ, 5.5 σ et 2.4 σ. Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) obtenues par H.E.S.S. couvrent donc la période de 4 heures (L'heure est une unité de mesure  :) à 56 heures après la détection du sursaut. Un record ! Un autre record est établi par l'énergie des rayons gamma: jusqu'à 3.3 TeV !Du jamais vu venant d'un sursaut gamma. Ces observations ont donc permis d'établir fermement la présence de rayons gamma de très haute énergie dans l'émission rémanente des sursauts gamma.

Mais comme toute découverte scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...), elles ont aussi ouvert de nouvelles questions: Comment sont créés ces photons d'une telle énergie ? Les modèles théoriques les plus utilisés jusque-là n'arrivent pas à reproduire les observations et doivent être modifiés...

Une observation qui remet en question la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) des sursauts gamma dans l'Univers

L'analyse des observations du GRB190829A avec H.E.S.S. a établi quatre résultats principaux exceptionnels:

1 - L'observation de rayons gamma à très hautes énergies émanant du sursaut gamma avec une durée sans-précèdent de ~3 jours. Cela a permis pour la première fois la mesure de l'évolution temporelle du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) à très haute énergie.

2 - L'évolution temporelle du flux des rayons gamma à très hautes énergies observée est similaire à l'évolution du flux des rayons X de façon frappante. Cela peut indiquer que les rayons X et les rayons gamma, séparés par 8 ordres de grandeur en énergie, ont une origine commune.

3 - La proximité du sursaut gamma le rend moins susceptible à l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) causée par la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) diffuse du fond extragalactique. Ce fait, combiné avec les performances exceptionnelles de H.E.S.S. a permis de mesurer de façon précise le spectre intrinsèque de la source entre les énergies de 0.18 TeV à 3.3 TeV.

4 - Le spectre des rayon gamma (Les rayons gamma, symbolisés par la lettre grecque γ, sont une forme de rayonnement...) à très haute énergie est décrite par une loi de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) avec un index gamma = 2.06. Combinés avec des observations à d'autres longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) cela a permis de mettre en lumière des problèmes avec le paradigme d'émission basé sur le modèle d'émission le plus courant et observé dans d'autres sources astrophysiques: des électrons accélérés qui émettent des rayons X par l'effet synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné...) combinés avec une émission à très haute énergie dû aux interactions Compton entre les électrons et les photons X (le processus "Synchrotron self-Compton").


Modèles théoriques multi-longueurs d'onde déduits des observations de la première (haut) et deuxième (bas) nuit. Les lignes oranges représentent le modèle synchrotron et les lignes bleues représentent le modèle synchrotron self-Compton.


Courbe de lumière des rayons X, et rayons gamma observée du sursaut GRB190829A. L'évolution de la courbe de lumière déduite par les observations H.E.S..S et la courbe de lumière des rayon X (Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence...) déduite des observations du satellite (Satellite peut faire référence à :) Swift sont similaires.

Perspectives prometteuses

H.E.S.S. a pu suivre la rémanence jusqu'à trois jours après l'explosion initiale” explique Fabian Schüssler. Le résultat a été surprenant: les observations ont révélé de curieuses similitudes entre les émissions de rayons X et de rayons gamma de très haute énergie de la rémanence de l'explosion. Contrairement aux théories établies qui supposent que les deux composantes de l'émission doivent être produites par des mécanismes distincts, les observations de la rémanence du GRB 190829A montrent que les rayons X et rayons gamma ont diminué de manière synchronisée. De plus, le spectre en énergie des rayons gamma correspond clairement à une extrapolation du spectre des rayons X. Ces résultats indiquent que les rayons X et les rayons gamma de très haute énergie de cette rémanence ont été produits par le même mécanisme et en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...).

"La portée de cette possibilité souligne la nécessité de poursuivre les études sur l'émission de rémanence des sursauts gamma à très haute énergie", note Mathieu de Naurois, directeur adjoint de l'observatoire H.E.S.S. et chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au LLR, France.

GRB 190829A est seulement le quatrième sursaut gamma détecté depuis le sol. Cependant, les explosions détectées précédemment se sont produites beaucoup plus loin dans le Cosmos et leur rémanence n'a pu être observée que pendant quelques heures chacune et pas à des énergies supérieures à 1 téra-électronvolt.

Les perspectives de détection des sursauts gamma par les instruments de prochaine génération semblent prometteuses: les scientifiques s'attendent à ce que des détections régulières dans la bande de très haute énergie deviennent courantes avec des instruments améliorés, ce qui aidera à comprendre pleinement ces explosions cosmiques gargantuesques.

Référence:
Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow ; H.E.S.S. collaboration ; Science, 2021 ; DOI: 10.1126/science.abe8560
Contact Irfu: Fabian SCHUSSLER
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