Crédit d'image: ESO
Le 29 mars 2003, le High Energy Transient Explorer de la NASA a détecté une vive explosion de rayons gamma, et peu de temps après que des télescopes du monde entier se sont concentrés sur l'objet; maintenant appelé GRB 030329 et mesuré à 2,6 milliards d'années-lumière. En mesurant la rémanence de l'explosion, les astronomes ont réalisé qu'elle correspond au spectre d'une hypernova - des explosions d'étoiles extrêmement grandes, au moins 25 fois plus grandes que notre propre Soleil. En faisant correspondre les spectres, les astronomes ont des preuves convaincantes qu'il existe un lien entre les sursauts de rayons gamma et les explosions de très grandes étoiles.
Une explosion très lumineuse de rayons gamma a été observée le 29 mars 2003 par le High Energy Transient Explorer (HETE-II) de la NASA, dans une région du ciel de la constellation du Lion.
En 90 min, une nouvelle source de lumière très brillante (la «rémanence optique») a été détectée dans la même direction au moyen d'un télescope de 40 pouces au Siding Spring Observatory (Australie) ainsi qu'au Japon. La salve de rayons gamma a été désignée GRB 030329, selon la date.
Et en 24 heures, un premier spectre très détaillé de ce nouvel objet a été obtenu par le spectrographe à haute dispersion UVES sur le télescope VLT KUEYEN de 8,2 m de l'ESO Paranal Observatory (Chili). Il a permis de déterminer la distance à environ 2 650 millions d'années-lumière (décalage vers le rouge 0,1685).
Des observations continues avec les instruments multimodes FORS1 et FORS2 sur le VLT au cours du mois suivant ont permis à une équipe internationale d'astronomes [1] de documenter avec une précision sans précédent les changements dans le spectre de la rémanence optique de cette rafale de rayons gamma. Leur rapport détaillé paraît dans le numéro du 19 juin de la revue de recherche «Nature».
Les spectres montrent l'émergence progressive et claire d'un spectre de supernova de la classe la plus énergétique connue, une «hypernova». Cela est dû à l'explosion d'une étoile très lourde - vraisemblablement plus de 25 fois plus lourde que le Soleil. La vitesse d'expansion mesurée (au-delà de 30 000 km / sec) et l'énergie totale libérée étaient exceptionnellement élevées, même dans la classe des hypernova.
À partir d'une comparaison avec des hypernovae plus proches, les astronomes sont capables de fixer avec une bonne précision le moment de l'explosion stellaire. Elle se trouve dans un intervalle de plus / moins deux jours après l'éclatement des rayons gamma. Cette conclusion unique fournit une preuve convaincante que les deux événements sont directement liés.
Ces observations indiquent donc un processus physique commun derrière l'explosion de l'hypernova et l'émission associée de forts rayonnements gamma. L'équipe conclut que cela est probablement dû à l'effondrement non symétrique presque instantané de la région intérieure d'une étoile très développée (connue sous le nom de modèle «collapsar»).
L'éclatement des rayons gamma du 29 mars passera dans les annales de l'astrophysique comme un rare «événement de définition de type», fournissant une preuve concluante d'un lien direct entre les éclats cosmologiques de rayons gamma et les explosions d'étoiles très massives.
Que sont les sursauts gamma?
L'un des domaines actuellement les plus actifs de l'astrophysique est l'étude des événements dramatiques connus sous le nom de «sursauts gamma (GRB)». Ils ont été détectés pour la première fois à la fin des années 60 par des instruments sensibles à bord de satellites militaires en orbite, lancés pour la surveillance et la détection des essais nucléaires. Originaires, non pas sur Terre, mais loin dans l'espace, ces courts éclairs de rayons gamma énergétiques durent de moins d'une seconde à plusieurs minutes.
Malgré d'importants efforts d'observation, ce n'est qu'au cours des six dernières années qu'il est devenu possible de localiser avec une certaine précision les sites de certains de ces événements. Grâce à l'aide inestimable d'observations positionnelles relativement précises de l'émission de rayons X associée par divers observatoires de satellites à rayons X depuis le début de 1997, les astronomes ont jusqu'à présent identifié une cinquantaine de sources de lumière optique de courte durée associées aux GRB (les «rémanences optiques» ).
La plupart des GRB se trouvent à des distances extrêmement grandes («cosmologiques»). Cela implique que l'énergie libérée en quelques secondes lors d'un tel événement est plus importante que celle du Soleil pendant toute sa durée de vie de plus de 10 000 millions d'années. Les GRB sont en effet les événements les plus puissants depuis le Big Bang connu de l'Univers, cf. ESO PR 08/99 et ESO PR 20/00.
Au cours des dernières années, des preuves indirectes ont montré que les GRB signalaient l'effondrement d'étoiles massives. Cela était à l'origine basé sur l'association probable d'un sursaut gamma inhabituel avec une supernova ("SN 1998bw", également découvert avec des télescopes ESO, cf. ESO PR 15/98). Depuis, d'autres indices sont apparus, notamment l'association de GRB avec des régions de formation d'étoiles massives dans des galaxies lointaines, des preuves alléchantes de «bosses» de courbes lumineuses de type supernova dans les reflets optiques de certaines salves antérieures, et des signatures spectrales d'éléments fraîchement synthétisés , observé par les observatoires à rayons X.
Observations VLT de GRB 030329
Le 29 mars 2003 (à 11 h 37 min 14 h 67 UT exactement), l'explorateur de transitoires à haute énergie (HETE-II) de la NASA a détecté un sursaut très lumineux. Après identification de la «rémanence optique» par un télescope de 40 pouces au Siding Spring Observatory (Australie), le décalage vers le rouge de la salve [3] a été déterminé à 0,1685 au moyen d'un spectre à haute dispersion obtenu avec le spectrographe UVES au Télescope VLT KUEYEN de 8,2 m à l'Observatoire ESO Paranal (Chili).
La distance correspondante est d'environ 2 650 millions d'années-lumière. Il s’agit du GRB normal le plus proche jamais détecté, offrant ainsi l’occasion tant attendue de tester les nombreuses hypothèses et modèles proposés depuis la découverte des premiers GRB à la fin des années 60.
Dans ce but précis, l'équipe d'astronomes dirigée par l'ESO [1] s'est maintenant tournée vers deux autres instruments puissants du très grand télescope ESO (VLT), les caméras / spectrographes multimodes FORS1 et FORS2. Sur une période d'un mois, jusqu'au 1er mai 2003, les spectres de l'objet s'estompant ont été obtenus à un rythme régulier, sécurisant un ensemble unique de données d'observation qui documente les changements physiques dans l'objet distant avec des détails inégalés.
La connexion hypernova
Sur la base d'une étude approfondie de ces spectres, les astronomes présentent maintenant leur interprétation de l'événement GRB 030329 dans un article de recherche paru dans la revue internationale "Nature" le jeudi 19 juin. Sous le titre prosaïque "Une supernova très énergétique associée à l'explosion de rayons gamma du 29 mars 2003 », pas moins de 27 auteurs de 17 instituts de recherche, dirigés par l'astronome danois Jens Hjorth, concluent qu'il existe désormais des preuves irréfutables d'un lien direct entre le GRB et l'explosion« hypernova »d'une très étoile massive et très évoluée.
Ceci est basé sur «l'émergence» progressive avec le temps d'un spectre de type supernova, révélant l'explosion extrêmement violente d'une étoile. Avec des vitesses bien supérieures à 30000 km / sec (soit plus de 10% de la vitesse de la lumière), le matériau éjecté se déplace à une vitesse record, témoignant de l'énorme puissance de l'explosion.
Les hypernovae sont des événements rares et ils sont probablement causés par l'explosion d'étoiles du type dit "Wolf-Rayet" [4]. Ces étoiles WR étaient à l'origine formées avec une masse supérieure à 25 masses solaires et consistaient principalement en hydrogène. Maintenant dans leur phase WR, après s'être dépouillé de leurs couches externes, ils sont constitués presque uniquement d'hélium, d'oxygène et d'éléments plus lourds produits par une combustion nucléaire intense au cours de la phase précédente de leur courte durée de vie.
«Nous attendions celui-ci depuis très, très longtemps», explique Jens Hjorth, «ce GRB nous a vraiment donné les informations manquantes. À partir de ces spectres très détaillés, nous pouvons maintenant confirmer que cette salve et probablement d'autres longues salves de rayons gamma sont créées par l'effondrement du noyau d'étoiles massives. La plupart des autres grandes théories sont désormais peu probables. »
Un «événement déterminant»
Son collègue, l'ESO-astronome Palle M? Ller, est également satisfait: «Ce qui nous a vraiment attiré au début, c'est le fait que nous avons clairement détecté les signatures de supernova déjà présentes dans le premier spectre FORS, prises seulement quatre jours après la première observation du GRB - nous ne nous y attendions pas du tout. Alors que nous obtenions de plus en plus de données, nous avons réalisé que l'évolution spectrale était presque complètement identique à celle de l'hypernova observée en 1998. La similitude des deux nous a alors permis d'établir un timing très précis de l'événement de supernova actuel ».
Les astronomes ont déterminé que l'explosion d'hypernova (désignée SN 2003dh [2]) documentée dans les spectres VLT et l'événement GRB observé par HETE-II devaient se produire à peu près au même moment. Sous réserve d'un raffinement supplémentaire, il y a tout au plus une différence de 2 jours, et il ne fait donc aucun doute que les deux sont liés de manière causale.
"Supernova 1998bw a aiguisé notre appétit, mais il a fallu 5 ans de plus pour que nous puissions dire en toute confiance, nous avons trouvé le pistolet fumant qui a cloué l'association entre les GRB et le SNe", ajoute Chryssa Kouveliotou de la NASA. "Le GRB 030329 pourrait bien se révéler être une sorte de" chaînon manquant "pour les GRB."
En conclusion, GRB 030329 a été un événement rare de «définition de type» qui sera enregistré comme un tournant dans l'astrophysique des hautes énergies.
Que s'est-il vraiment passé le 29 mars (soit 2650 millions d'années)?
Voici l'histoire complète du GRB 030329, telle que les astronomes la lisent maintenant.
Des milliers d'années avant cette explosion, une étoile très massive, à court de carburant hydrogène, a lâché une grande partie de son enveloppe extérieure, se transformant en une étoile Wolf-Rayet bleuâtre [3]. Les restes de l'étoile contenaient environ 10 masses solaires valant de l'hélium, de l'oxygène et des éléments plus lourds.
Dans les années qui ont précédé l'explosion, l'étoile Wolf-Rayet a rapidement épuisé son carburant restant. À un certain moment, cela a soudainement déclenché l'événement de sursaut d'hypernova / rayons gamma. Le noyau s'est effondré, sans que la partie extérieure de l'étoile ne le sache. Un trou noir s'est formé à l'intérieur, entouré d'un disque d'accrétion de matière. En quelques secondes, un jet de matière a été lancé loin de ce trou noir.
Le jet a traversé l'enveloppe extérieure de l'étoile et, en conjonction avec des vents vigoureux de nickel-56 radioactif nouvellement formé soufflant du disque à l'intérieur, a brisé l'étoile. Cet éclatement, l'hypernova, brille de mille feux à cause de la présence de nickel. Pendant ce temps, le jet s'est enfoncé dans la matière à proximité de l'étoile et a créé l'éclatement des rayons gamma qui a été enregistré quelque 2650 millions d'années plus tard par les astronomes sur Terre. Le mécanisme détaillé pour la production de rayons gamma est encore un sujet de débat mais il est soit lié aux interactions entre le jet et la matière précédemment éjectée de l'étoile, soit à des collisions internes à l'intérieur du jet lui-même.
Ce scénario représente le modèle «collapsar», introduit par l'astronome américain Stan Woosley (Université de Californie, Santa Cruz) en 1993 et membre de l'équipe actuelle, et explique le mieux les observations du GRB 030329.
«Cela ne signifie pas que le mystère de l'éclatement des rayons gamma est désormais résolu», explique Woosley. «Nous sommes convaincus maintenant que les longues rafales impliquent un effondrement du cœur et une hypernova, créant probablement un trou noir. Nous avons convaincu la plupart des sceptiques. Cependant, nous ne pouvons pas encore tirer de conclusion sur les causes des courts sursauts gamma, ceux de moins de deux secondes. »
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
