L'éclat le plus lumineux de tous les temps des sursauts gamma défie les théories de la formation des éléments

La visualisation de l'artiste du GRB 221009A montre les jets étroits relativistes - émergeant d'un trou noir central - qui ont donné naissance au GRB et les restes en expansion de l'étoile originale éjectés par l'explosion de la supernova. En utilisant le télescope spatial James Webb, le chercheur postdoctoral de l'Université Northwestern, Peter Blanchard, et son équipe ont détecté la supernova pour la première fois, confirmant que le GRB 221009A était le résultat de l'effondrement d'une étoile massive. Les co-auteurs de l'étude ont également découvert que l'événement s'est produit dans une région de formation d'étoiles dense de sa galaxie hôte, comme le représente la nébuleuse en arrière-plan. Crédit : Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services

En octobre 2022, une équipe internationale de chercheurs, comprenant des astrophysiciens de l'Université Northwestern, a observé l'explosion gamma-ray la plus lumineuse jamais enregistrée, le GRB 221009A.

Une équipe dirigée par Northwestern a maintenant confirmé que le phénomène responsable de cette explosion historique - appelée le B.O.A.T. ("brightest of all time") - est l'effondrement et l'explosion subséquente d'une étoile massive. L'équipe a découvert l'explosion, ou supernova, en utilisant le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA.

Alors que cette découverte résout un mystère, un autre mystère s'approfondit.

Les chercheurs ont supposé que des preuves d'éléments lourds, tels que le platine et l'or, pourraient résider dans la supernova nouvellement découverte. Cependant, la recherche extensive n'a pas trouvé la signature qui accompagne de tels éléments. L'origine des éléments lourds dans l'univers continue de rester l'une des plus grandes questions ouvertes de l'astronomie.

La recherche a été publiée le 12 avril dans la revue Nature Astronomy.

"Lorsque nous avons confirmé que le GRB était généré par l'effondrement d'une étoile massive, cela nous a donné l'occasion de tester une hypothèse sur la formation de certains des éléments les plus lourds de l'univers", a déclaré Peter Blanchard de Northwestern, qui a dirigé l'étude. "Nous n'avons pas vu de signatures de ces éléments lourds, ce qui suggère que les GRBs extrêmement énergétiques comme le B.O.A.T. ne produisent pas ces éléments. Cela ne signifie pas que tous les GRBs ne les produisent pas, mais c'est une information clé alors que nous continuons à comprendre d'où viennent ces éléments lourds. De futures observations avec le JWST détermineront si les 'cousins normaux' du B.O.A.T. produisent ces éléments."

Blanchard est chercheur postdoctoral au Centre d'exploration et de recherche interdisciplinaire en astrophysique (CIERA) de Northwestern, où il étudie les supernovae superlumineuses et les GRBs. L'étude comprend des co-auteurs du Centre d'astrophysique | Harvard & Smithsonian ; Université de l'Utah ; Penn State ; Université de Californie, Berkeley ; Université Radbound aux Pays-Bas ; Institut des sciences du télescope spatial ; Université de l'Arizona/Observatoire Steward ; Université de Californie, Santa Barbara ; Université Columbia ; Institut Flatiron ; Université de Greifswald et l'Université de Guelph.

"Cet événement est particulièrement intéressant car certains avaient supposé qu'une explosion de rayons gamma lumineuse comme le B.O.A.T. pourrait produire beaucoup d'éléments lourds comme l'or et le platine", a déclaré le deuxième auteur Ashley Villar de l'Université Harvard et du Centre d'astrophysique | Harvard & Smithsonian. "S'ils avaient raison, le B.O.A.T. aurait dû être une mine d'or. Il est vraiment frappant que nous n'ayons vu aucune preuve de ces éléments lourds."

Lorsque sa lumière a balayé la Terre le 9 octobre 2022, le B.O.A.T. était si lumineux qu'il a saturé la plupart des détecteurs de rayons gamma du monde. L'explosion puissante s'est produite à environ 2 milliards d'années-lumière de la Terre, dans la direction de la constellation Sagitta et a duré quelques centaines de secondes. Alors que les astronomes se précipitaient pour observer l'origine de ce phénomène incroyablement brillant, ils ont été immédiatement frappés d'émerveillement.

"Depuis que nous avons été en mesure de détecter des GRB, il ne fait aucun doute que ce GRB est le plus lumineux que nous ayons jamais vu, de 10 fois ou plus", a déclaré Wen-fai Fong, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'École des arts et des sciences Weinberg de Northwestern et membre de la CIERA, à l'époque.

"L'événement a produit certains des photons de la plus haute énergie jamais enregistrés par des satellites conçus pour détecter les rayons gamma", a déclaré Blanchard. "C'était un événement que la Terre ne voit qu'une fois tous les 10 000 ans. Nous avons la chance de vivre à une époque où nous avons la technologie pour détecter ces explosions qui se produisent à travers l'univers. Il est très excitant d'observer un phénomène astronomique aussi rare que le B.O.A.T. et de travailler pour comprendre la physique derrière cet événement exceptionnel."

Au lieu d'observer l'événement immédiatement, Blanchard, Villar et leur équipe ont voulu voir le GRB pendant ses phases ultérieures. Environ six mois après la détection initiale du GRB, Blanchard et Villar ont utilisé le JWST pour examiner ses conséquences.

"Le GRB était tellement lumineux qu'il obscurcissait toute signature potentielle de supernova dans les premières semaines et mois après l'explosion," a déclaré Blanchard. "À ces moments-là, l'éclat résiduel du GRB était comme les phares d'une voiture venant droit sur vous, vous empêchant de voir la voiture elle-même. Nous avons donc dû attendre qu'il s'estompe significativement pour nous donner une chance de voir la supernova."

"Nous avons eu de la chance que le JWST ait été lancé à ce moment-là pour réaliser ces observations", a déclaré Villar. "La Voie lactée se trouvait devant le B.O.A.T. et sa poussière bloquait toute la lumière bleue que nous verrions normalement. Le JWST peut voir à travers cette poussière et nous donner un regard incroyable dans l'infrarouge."

L'équipe a utilisé la technique Spectrographe proche infrarouge du JWST pour découvrir la signature caractéristique d'éléments comme le calcium et l'oxygène généralement trouvés dans une supernova. Étonnamment, il n'était pas exceptionnellement brillant, contrairement à l'incroyablement brillant GRB qui l'a accompagné.

"Il n'est pas plus lumineux que les supernovas précédentes," a déclaré Blanchard. "Il a l'air assez normal par rapport aux autres supernovas associées à des GRB moins énergiques. On pourrait s'attendre à ce qu'une étoile en train de s'effondrer produise un GRB très énergique et lumineux et qu'elle produise également une supernova très énergique et lumineuse. Mais ce n'est pas le cas. Nous avons ce GRB extrêmement lumineux, mais une supernova normale."

Après avoir confirmé la présence de la supernova pour la première fois, Blanchard et ses collaborateurs ont cherché des preuves d'éléments lourds en son sein. Actuellement, les astrophysiciens ont une image incomplète de tous les mécanismes de l'univers qui peuvent produire des éléments plus lourds que le fer.

Le principal mécanisme de production d'éléments lourds, le processus de capture rapide de neutrons, nécessite une concentration élevée de neutrons. Jusqu'à présent, les astrophysiciens n'ont confirmé la production d'éléments lourds par ce processus que dans la fusion de deux étoiles à neutrons, une collision détectée par l'Observatoire d'ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) en 2017. Mais les scientifiques disent qu'il doit y avoir d'autres moyens de produire ces matériaux insaisissables. Il y a simplement trop d'éléments lourds dans l'univers et trop peu de fusions d'étoiles à neutrons.

"Il est probable qu'il y ait une autre source," a déclaré Blanchard. "Il faut beaucoup de temps pour que les étoiles à neutrons binaires fusionnent. Deux étoiles dans un système binaire doivent d'abord exploser pour laisser place à des étoiles à neutrons. Ensuite, il peut falloir des milliards et des milliards d'années pour que les deux étoiles à neutrons se rapprochent lentement et fusionnent enfin. Mais les observations d'étoiles très anciennes indiquent que certaines parties de l'univers étaient enrichies en métaux lourds avant que la plupart des étoiles à neutrons binaires aient eu le temps de fusionner. Cela nous oriente vers une voie alternative."

"Nous avons la chance de vivre à une époque où nous avons la technologie pour détecter ces explosions qui se produisent à travers l'univers." — Peter Blanchard, chercheur postdoctoral du CIERA

Les astrophysiciens ont émis l'hypothèse que les éléments lourds pourraient également être produits par l'effondrement d'une étoile massive en rotation rapide, le type exact d'étoile qui a généré le B.O.A.T. En utilisant le spectre infrarouge obtenu par le JWST, Blanchard a étudié les couches internes de la supernova, où les éléments lourds devraient être formés.

"Le matériel de l'étoile qui a explosé est opaque au début, donc on ne peut voir que les couches externes", a déclaré Blanchard. "Mais une fois qu'il se dilate et se refroidit, il devient transparent. On peut alors voir les photons provenant de la couche interne de la supernova."

"De plus, différents éléments absorbent et émettent des photons à différentes longueurs d'onde, en fonction de leur structure atomique, ce qui donne à chaque élément une signature spectrale unique, a expliqué Blanchard. "Par conséquent, regarder le spectre d'un objet peut nous dire quels éléments sont présents. En examinant le spectre du B.O.A.T., nous n'avons vu aucune signature d'éléments lourds, suggérant que des événements extrêmes tels que le GRB 221009A ne sont pas les sources principales. Cette information est essentielle alors que nous continuons à essayer de déterminer où sont formés les éléments les plus lourds."

Pour distinguer la lumière de la supernova de celle de l'éclat résiduel lumineux qui l'a précédée, les chercheurs ont associé les données du JWST aux observations de l'Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) au Chili.

"Même plusieurs mois après la découverte de l'explosion, l'éclat résiduel était suffisamment brillant pour contribuer à beaucoup de lumière dans les spectres du JWST", a déclaré Tanmoy Laskar, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de l'Utah et co-auteur de l'étude. "La combinaison des données des deux télescopes nous a permis de mesurer exactement à quel point l'éclat résiduel était lumineux au moment de nos observations avec le JWST et de nous permettre d'extraire soigneusement le spectre de la supernova."

Although astrophysicists have yet to uncover how a “normal” supernova and a record-breaking GRB were produced by the same collapsed star, Laskar said it might be related to the shape and structure of the relativistic jets. When rapidly spinning, massive stars collapse into black holes, they produce jets of material that launch at rates close to the speed of light. If these jets are narrow, they produce a more focused — and brighter — beam of light.

“It’s like focusing a flashlight’s beam into a narrow column, as opposed to a broad beam that washes across a whole wall,” Laskar said. “In fact, this was one of the narrowest jets seen for a gamma-ray burst so far, which gives us a hint as to why the afterglow appeared as bright as it did. There may be other factors responsible as well, a question that researchers will be studying for years to come.”

Additional clues also may come from future studies of the galaxy in which the B.O.A.T. occurred. “In addition to a spectrum of the B.O.A.T. itself, we also obtained a spectrum of its ‘host’ galaxy,” Blanchard said. “The spectrum shows signs of star formation, hinting that the birth environment of the original star may be different than previous events.”

Team member Yijia Li, a graduate student at Penn State, modeled the spectrum of the galaxy, finding that the B.O.A.T.’s host galaxy has the lowest metallicity, a measure of the abundance of elements heavier than hydrogen and helium, of all previous GRB host galaxies.

“This is another unique aspect of the B.O.A.T. that may help explain its properties,” Li said. “The energy released in the B.O.A.T. was completely off the charts, one of the most energetic events humans have ever seen. The fact that it also appears to be born out of near-primordial gas may be an important clue to understanding its superlative properties.”

Reference: “JWST detection of a supernova associated with GRB 221009A without an r-process signature” by Peter K. Blanchard, V. Ashley Villar, Ryan Chornock, Tanmoy Laskar, Yijia Li, Joel Leja, Justin Pierel, Edo Berger, Raffaella Margutti, Kate D. Alexander, Jennifer Barnes, Yvette Cendes, Tarraneh Eftekhari, Daniel Kasen, Natalie LeBaron, Brian D. Metzger, James Muzerolle Page, Armin Rest, Huei Sears, Daniel M. Siegel and S. Karthik Yadavalli, 12 April 2024, Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-024-02237-4

The study, “JWST detection of a supernova associated with GRB 221009A without an r-process signature,” was supported by NASA (award number JWST-GO-2784) and the National Science Foundation (award numbers AST-2108676 and AST-2002577). This work is based on observations made with the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope.