Phénomènes surprenants observés par le NuSTAR de la NASA dans la plus brillante explosion cosmique jamais détectée.

Les astronomes pensent que GRB 221009A représente la naissance d'un nouveau trou noir formé au cœur d'une étoile en train de s'effondrer. Dans cette illustration, le trou noir entraîne de puissants jets de particules se déplaçant près de la vitesse de la lumière. Les jets traversent l'étoile, émettant des rayons X et des rayons gamma alors qu'ils se dirigent vers l'espace. Crédit : NASA/Swift/Cruz deWilde

Les observations du télescope à rayons X NuSTAR de la NASA donnent aux astronomes de nouveaux indices sur l'émission de rayons gamma la plus lumineuse et la plus énergétique jamais détectée.

Les scientifiques ont détecté l'émission de rayons gamma la plus brillante jamais observée, baptisée GRB 221009A ou BOAT, en octobre 2022. Contrairement aux précédentes émissions de rayons gamma, GRB 221009A présentait une structure de jet unique avec un noyau étroit, des côtés plus larges et une variation d'énergie en fonction de la distance du noyau. Les phénomènes sans précédent observés lors de l'émission ont été documentés par l'observatoire NuSTAR de la NASA et de multiples télescopes à rayons X.

Lorsque les scientifiques ont détecté l'émission de rayons gamma connue sous le nom de GRB 221009A le 9 octobre 2022, ils l'ont surnommée la plus brillante de tous les temps, ou BOAT. La plupart des émissions de rayons gamma se produisent lorsque le cœur d'une étoile plus massive que notre Soleil s'effondre, devenant un trou noir. Ces événements libèrent régulièrement autant d'énergie en quelques minutes que notre Soleil en libérera pendant toute sa vie. Les études de suivi ont montré que GRB 221009A était 70 fois plus brillant et beaucoup plus énergétique que le détenteur du précédent record. Bien que les scientifiques ne comprennent pas encore pourquoi, ils ont reçu un indice tentant de l'observatoire NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA.

Un jet de particules traverse une étoile lorsqu'elle s'effondre en un trou noir lors d'une émission typique de rayons gamma, comme le montre cette représentation artistique. Le jet créé par l'émission de rayons gamma 221009A présentait des caractéristiques uniques. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

Dans une étude publiée le 7 juin dans la revue Science Advances, les scientifiques ont utilisé les observations de NuSTAR de l'événement pour montrer comment l'étoile en train de s'effondrer a éjecté un jet de matière qui avait une forme jamais observée auparavant parmi les jets d'émission de rayons gamma, ainsi que d'autres caractéristiques uniques. Il est possible que la source de ces différences soit l'étoile d'origine, dont les propriétés physiques pourraient influencer les caractéristiques de l'émission. Il est également possible qu'un mécanisme entièrement différent lance les jets les plus brillants dans l'espace.

Le type d'explosion le plus énergétique de l'univers, une émission de rayons gamma peut être repérée à des milliards d'années-lumière de distance. GRB 221009A était si lumineuse qu'elle a effectivement aveuglé la plupart des instruments de rayons gamma dans l'espace lorsqu'elle a été détectée le 9 octobre 2022. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

« Cet événement était tellement plus lumineux et plus énergétique que n'importe quelle émission de rayons gamma que nous avons vue auparavant, ce n'est même pas possible », a déclaré Brendan O'Connor, auteur principal de la nouvelle étude et astronome à l'université George Washington à Washington. « Ensuite, lorsque nous avons analysé les données de NuSTAR, nous avons réalisé qu'elle avait également cette structure de jet unique. Et c'était vraiment excitant, car nous n'avons aucun moyen d'étudier l'étoile qui a produit cet événement ; elle a maintenant disparu. Mais nous avons maintenant des données qui nous donnent des indices sur la façon dont elle a explosé. »

Les rayons gamma sont la forme de lumière la plus énergétique de l'univers, mais invisibles à l'œil humain. Toutes les émissions de rayons gamma connues ont été originaires de galaxies situées en dehors de notre Voie lactée, mais elles sont assez lumineuses pour être repérées à des milliards d'années-lumière de distance. Certaines apparaissent et disparaissent en moins de deux secondes, tandis que les émissions de rayons gamma dites « longues » rayonnent généralement des rayons gamma pendant une minute ou plus. Ces objets peuvent rayonner d'autres longueurs d'onde pendant des semaines.

Le télescope spatial Hubble a capturé la rémanence infrarouge (encadrée) de l'émission de rayons gamma connue sous le nom de GRB 221009A et de sa galaxie hôte. Ce composite intègre des images prises les 8 novembre et 4 décembre 2022, environ un et deux mois après l'éruption. La rémanence pourrait rester détectable pendant plusieurs années. Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University); Traitement de l'image : Gladys Kober

GRB 221009A, une émission de rayons gamma de longue durée, était si brillante qu'elle a effectivement aveuglé la plupart des instruments de rayons gamma dans l'espace. Les scientifiques américains ont pu reconstruire cet événement avec les données du télescope spatial Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA pour déterminer sa luminosité réelle. (Le BOAT a également été détecté par les télescopes spatiaux Hubble et James Webb de la NASA, les engins spatiaux Wind et Voyager 1 de l'agence, ainsi que l'Orbiteur solaire de l'ESA.)

Similar to other gamma-ray bursts, GRB 221009A had a jet that erupted from the collapsing star like it was shot into space from a fire hose, with gamma rays radiating from the hot gas and particles at the jet’s core. But GRB 221009A’s jet stood out in a few ways. In just about every previously observed gamma-ray burst, the jet remained remarkably compact and there was little to no stray light or material outside the narrow beam. (In fact, gamma-ray bursts are so compact, the gamma rays can only be observed when their jets are pointed almost directly at Earth.)

The Fermi Gamma-ray Space Telescope observes the cosmos using the highest-energy form of light, providing an important window into the most extreme phenomena of the universe, from gamma-ray bursts and black-hole jets to pulsars, supernova remnants, and the origin of cosmic rays. Credit: © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

By contrast, in GRB 221009A the jet had a narrow core with wider, sloping sides. Some of the most energetic gamma-ray jets have shown similar properties, but the jet from the BOAT was unique in one important way: The energy of the material in GRB 221009A also varied, meaning that instead of all the material in the jet having the same energy – like a single bullet shot from a gun – the energy of the of the material changed with distance from the jet’s core. This has never been observed in a long gamma-ray burst jet before.

“The only way to produce a different jet structure and vary the energy is to vary some property of the star that exploded, like its size, mass, density, or magnetic field,” said Eleonora Troja, a professor of physics at the University of Rome, who led NuSTAR the observations of the event. “That’s because the jet has to basically force its way out of the star. So, for example, the amount of resistance it meets would potentially influence the features of the jet.”

Artist’s concept of NuSTAR on orbit. Credit: NASA/JPL-Caltech

Astronomers can see the light from gamma-ray jets, but the distance means they can’t resolve images of the jets directly. Researchers have to interpret the light from these events to learn about the physical characteristics of faraway objects. It’s sort of like looking at footprints in the snow and inferring something about the physical traits of the person who left them.

In many cases, there may be more than one possible explanation for the light from a cosmic event. More than one X-ray telescope observed GRB 221009A, including NASA’s Neil Gehrels Swift Observatory and Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), as well as ESA’s XMM-Newton telescope. The NuSTAR data helped narrow down those possibilities. It shows that as the jet traveled into space, it collided with the interstellar medium, or the sparse sea of atoms and particles that fills the space between stars. This collision created X-rays – particles of light slightly less energetic than gamma rays.

“There are multiple X-ray telescopes operating in space, each with different strengths that can help astronomers understand these cosmic objects better,” said Daniel Stern, NuSTAR project scientist at NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California.

Reference: “A structured jet explains the extreme GRB 221009A” by Brendan O’Connor, Eleonora Troja, Geoffrey Ryan, Paz Beniamini, Hendrik van Eerten, Jonathan Granot, Simone Dichiara, Roberto Ricci, Vladimir Lipunov, James H. Gillanders, Ramandeep Gill, Michael Moss, Shreya Anand, Igor Andreoni, Rosa L. Becerra, David A. H. Buckley, Nathaniel R. Butler, Stephen B. Cenko, Aristarkh Chasovnikov, Joseph Durbak, Carlos Francile, Erica Hammerstein, Alexander J. van der Horst, Mansi M. Kasliwal, Chryssa Kouveliotou, Alexander S. Kutyrev, William H. Lee, Gokul P. Srinivasaragavan, Vladislav Topolev, Alan M. Watson, Yuhan Yang and Kirill Zhirkov, 7 June 2023, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.adi1405

More About the Mission

A Small Explorer mission led by Caltech and managed by the Jet Propulsion Laboratory (JPL) for NASA’s Science Mission Directorate in Washington, NuSTAR was developed in partnership with the Danish Technical University and the Italian Space Agency (ASI). The spacecraft was built by Orbital Sciences Corp. in Dulles, Virginia. NuSTAR’s mission operations center is at the University of California, Berkeley, and the official data archive is at NASA’s High Energy Astrophysics Science Archive Research Center at the agency’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. ASI provides the mission’s ground station and a mirror data archive. Caltech manages JPL for NASA.