Dans trois nouvelles études, les astronomes discutent des trois explosions stellaires d'une durée inhabituellement longue découvertes parNASALe satellite Swift de et représentent une classe de sursauts gamma jusqu'alors méconnue.
Trois explosions stellaires d'une durée inhabituellement longue découvertes par le satellite Swift de la NASA représentent une classe jusqu'alors méconnue de sursauts gamma (GRB). Deux équipes internationales d'astronomes étudiant ces événements concluent qu'ils sont probablement dus à la mort catastrophique d'étoiles supergéantes des centaines de fois plus grosses que le soleil.
Les astronomes ont discuté de leurs découvertes mardi lors du Huntsville Gamma-ray Burst Symposium 2013 à Nashville, Tennessee, une réunion parrainée en partie par l'Université d'Alabama à Huntsville et les missions Swift et Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA.
Les GRB sont les explosions les plus lumineuses et mystérieuses de l'univers. Les explosions émettent des rayons gamma – la forme de lumière la plus puissante – ainsi que des rayons X, et produisent des rémanences qui peuvent être observées aux énergies optiques et radio. Swift, Fermi et d'autres engins spatiaux détectent en moyenne environ un GRB chaque jour.
"Nous avons vu des milliers de sursauts gamma au cours des quatre dernières décennies, mais ce n'est que maintenant que nous voyons clairement à quel point ces événements extraordinaires peuvent être extrêmes", a déclaré Bruce Gendre, un chercheur désormais associé au Centre national français de la recherche scientifique qui a dirigé cette étude alors qu'il était au Centre de données scientifiques de l'Agence spatiale italienne à Frascati, en Italie.
Avant le lancement de Swift en 2004, les instruments satellitaires étaient beaucoup moins sensibles aux sursauts gamma qui se déroulaient sur des échelles de temps relativement longues.
Traditionnellement, les astronomes reconnaissent deux types de GRB, court et long, en fonction de la durée du signal gamma. De courtes sursauts durent deux secondes ou moins et sont censés représenter une fusion d'objets compacts dans un système binaire, les suspects les plus probables étant les étoiles à neutrons et les trous noirs. Les GRB longs peuvent durer de quelques secondes à plusieurs minutes, avec des durées typiques comprises entre 20 et 50 secondes. On pense que ces événements sont associés à l'effondrement d'une étoile dont la masse est plusieurs fois supérieure à celle du soleil et à la naissance qui en résulte d'une nouvelle étoile.trou noir.
Les deux scénarios donnent naissance à de puissants jets qui propulsent la matière à une vitesse proche de celle de la lumière dans des directions opposées. Lorsqu’ils interagissent avec la matière à l’intérieur et autour de l’étoile, les jets produisent un pic de lumière à haute énergie.
Gendre et ses collègues ont réalisé une étude détaillée du GRB 111209A, qui est entré en éruption le 9 décembre 2011, en utilisant les données de rayons gamma de l'instrument Konus de la sonde spatiale Wind de la NASA, les observations de rayons X de Swift et duAgence spatiale européennedu satellite XMM-Newton et des données optiques de l'observatoire robotique TAROT de La Silla, au Chili. Le sursaut a continué à produire une émission à haute énergie pendant sept heures étonnantes, ce qui en fait de loin le GRB de la plus longue durée jamais enregistré. Les conclusions de l'équipe paraissent dans l'édition du 20 mars de TheJournal d'astrophysique.
Un autre événement, GRB 101225A, a explosé le jour de Noël 2010 et a produit une émission à haute énergie pendant au moins deux heures. Surnommé par la suite le « Christmas burst », la distance de l'événement était inconnue, ce qui a conduit les deux équipes à aboutir à des interprétations physiques radicalement différentes. Un groupe a conclu que l'explosion avait été provoquée par la chute d'un astéroïde ou d'une comète sur unétoile à neutronsau sein de notre propre galaxie. Une autre équipe a déterminé que l’éclatement était le résultat d’un événement de fusion dans un système binaire exotique situé à environ 3,5 milliards d’années-lumière.
GRB 101225A, mieux connu sous le nom de « sursaut de Noël », était un sursaut gamma d’une durée inhabituellement longue. Sa distance n’ayant pas été mesurée, les astronomes ont proposé deux interprétations radicalement différentes. Dans le premier cas, une étoile à neutrons solitaire dans notre propre galaxie a déchiqueté et accrété un corps semblable à une comète. Dans la seconde, une étoile à neutrons est engloutie, spirale et fusionne avec une étoile géante évoluée dans une galaxie lointaine. Aujourd'hui, grâce à une mesure de la galaxie hôte du sursaut de Noël, les astronomes ont déterminé qu'il s'agissait de l'effondrement et de l'explosion d'une étoile supergéante des centaines de fois plus grande que le soleil.Crédit:Studio de visualisation scientifique du Goddard Space Flight Center de la NASA
"Nous savons maintenant que l'explosion de Noël s'est produite beaucoup plus loin, à plus de la moitié de l'univers observable, et qu'elle était par conséquent bien plus puissante que ce que ces chercheurs avaient imaginé", a déclaré Andrew Levan, astronome à l'Université de Californie.Université de Warwickà Coventry, en Angleterre.
En utilisant le télescope Gemini North à Hawaï, Levan et son équipe ont obtenu un spectre de la faible galaxie qui a accueilli l'éclatement de Noël. Cela a permis aux scientifiques d'identifier les raies d'émission de l'oxygène et de l'hydrogène et de déterminer dans quelle mesure ces raies étaient déplacées vers des énergies plus basses par rapport à leur apparition en laboratoire. Cette différence, connue des astronomes sous le nom de, situe l'éclatement à environ 7 milliards d'années-lumière.
Dans le cadre de cette étude, décrite dans un article soumis à The Astrophysical Journal, l'équipe de Levan a également examiné 111209A et l'éclatement plus récent 121027A, qui a explosé le 27 octobre 2012. Tous montrent des émissions similaires de rayons X, ultraviolets et optiques et tous proviennent des régions centrales de galaxies compactes qui formaient activement des étoiles. Les astronomes concluent que les trois GRB constituent un groupe jusqu’ici méconnu de sursauts « ultra-longs ».
Pour tenir compte de la classe normale des GRB longs, les astronomes envisagent une étoile similaire à la taille du soleil mais avec une masse plusieurs fois supérieure à sa masse. La masse doit être suffisamment élevée pour que l'étoile subisse une crise énergétique, son noyau finissant par manquer de carburant et s'effondrer sous son propre poids pour former un trou noir. Une partie de la matière tombant sur le trou noir naissant est redirigée vers de puissants jets qui traversent l'étoile, créant ainsi un pic de rayons gamma, mais comme cette explosion est de courte durée, l'étoile doit être relativement petite.
"Les étoiles Wolf-Rayet répondent à ces exigences", a expliqué Levan. "Ils sont nés avec une masse plus de 25 fois supérieure à celle du soleil, mais ils brûlent si chaud qu'ils chassent leur couche d'hydrogène la plus profonde et la plus externe sous la forme d'un écoulement que nous appelons un.» En supprimant l'atmosphère de l'étoile, on obtient un objet suffisamment massif pour former un trou noir, mais suffisamment petit pour que les jets de particules puissent le traverser à des moments typiques des longs GRB.
Étant donné que les GRB ultra-longs persistent pendant des périodes jusqu'à 100 fois plus longues que les GRB longs, ils nécessitent une source stellaire de taille physique proportionnellement plus grande. Les deux groupes suggèrent que le candidat probable est une supergéante, une étoile ayant environ 20 fois la masse du soleil et qui conserve encore sa profonde atmosphère d'hydrogène, ce qui en fait des centaines de fois le diamètre du soleil.
L'équipe de Gendre va plus loin, suggérant que GRB 111209A aurait marqué la mort d'une supergéante bleue contenant des quantités relativement modestes d'éléments plus lourds que l'hélium, que les astronomes appellent métaux.
"La teneur en métaux d'une étoile massive contrôle la force de son vent stellaire, qui détermine la quantité d'hydrogène qu'elle retient à mesure qu'elle vieillit", note Gendre. Il faudrait des heures à l’enveloppe profonde d’hydrogène de l’étoile pour achever sa chute dans le trou noir, ce qui fournirait une source de carburant de longue durée pour alimenter un avion à réaction GRB ultra-long.
La teneur en métaux joue également un rôle important dans le développement des longs GRB, selon une étude détaillée présentée par John Graham et Andrew Fruchter, tous deux astronomes auInstitut scientifique du télescope spatialà Baltimore.
Les étoiles fabriquent des éléments lourds tout au long de leur vie de production d’énergie et lors des explosions de supernova, et chaque génération d’étoiles enrichit le gaz interstellaire avec une plus grande proportion d’entre eux. Même si les astronomes ont noté que les longs GRB se produisent beaucoup plus fréquemment dans les galaxies pauvres en métaux, certains d'entre eux ont suggéré que cette tendance n'est pas intrinsèque aux étoiles et à leur environnement.
Pour examiner cette possibilité, Graham et Fruchter ont développé une nouvelle méthode qui leur a permis de comparer les galaxies en fonction de leur taux sous-jacent de formation d'étoiles. Ils ont ensuite examiné les galaxies qui ont servi d’hôtes à de longs GRB et à divers types de supernovae, ainsi qu’un échantillon témoin de 20 000 galaxies typiques du Sloan Digital Sky Survey.
Les astronomes ont découvert que 75 pour cent des GRB longs se produisaient parmi les 10 pour cent de formation d’étoiles ayant la plus faible teneur en métaux. Bien que l'étude ait révélé quelques longs GRB dans des environnements à forte teneur en métaux, comme notre propre galaxie, ceux-ci ne se produisent qu'à environ 4 % du taux observé dans les environnements à faible teneur en métaux par unité de formation d'étoiles sous-jacente.
"La plupart des étoiles se forment dans des environnements riches en métaux, ce qui a pour effet secondaire de diminuer la prévalence des longs GRB à mesure que l'univers vieillit", a expliqué Graham. "Et même si un long GRB à proximité serait catastrophique pour la vie sur Terre, notre étude montre que des galaxies comme la nôtre sont beaucoup moins susceptibles d'en produire."
Les astronomes soupçonnent que cette tendance reflète une différence dans la capacité d’une étoile massive à conserver sa vitesse de rotation. L’augmentation de la teneur en métaux signifie des vents stellaires plus forts. À mesure que ces vents repoussent la matière de la surface de l'étoile, la rotation de l'étoile diminue progressivement, de la même manière qu'une patineuse sur glace ralentit lorsqu'elle étend ses bras. Les étoiles avec une rotation plus rapide peuvent être plus susceptibles de produire un long GRB.
Graham et Fruchter émettent l'hypothèse que les quelques longs GRB trouvés dans des environnements à haute teneur en métaux ont reçu l'aide de la présence d'une étoile compagnon proche. En alimentant en masse – et avec elle, en énergie de rotation – l’étoile qui explose, un compagnon est l’équivalent physique de quelqu’un qui pousse un patineur sur glace qui tourne lentement jusqu’à une vitesse de rotation plus élevée.
Références :
« L’ultra-long Gamma-Ray Burst 111209A : l’effondrement d’une supergéante bleue ? par B. Gendre, G. Stratta, JL Atteia, S. Basa, M. Boër, DM Coward, S. Cutini, V. D'Elia, E. Howell, A. Klotz et L. Piro, 5 mars 2013,Le journal d'astrophysique.
DOI : 10.1088/0004-637X/766/1/30
par AJ Levan, NR Tannir, RLC Starling, K. Wiersema, KL Page, DA Perley, S. Schulze, GA Wynn, R. Hornock, D. Malesani, R. St. Ramires, B. Schelna, I. Skillen, G. Tagliferri, C. Thone, O.Le journal d'astrophysique.
DOI : 10.1088/0004-637X/781/1/13
« The Metal Aversion of LGRBs » par JF Graham et AS Fruchter, 23 août 2013,Le journal d'astrophysique.
DOI : 10.1088/0004-637X/774/2/119
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