Les scientifiques confirment que deux sursauts gamma longs proviennent de l’effondrement d’étoiles à neutrons
Une équipe de chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos a confirmé que deux sursauts gamma longs inhabituels, GRB 211211A et GRB 230307A, ont été produits par l’effondrement d’étoiles à neutrons en trous noirs. Les résultats, publiés dans The Astrophysical Journal Letters, constituent la confirmation la plus détaillée à ce jour d’un mécanisme longtemps théorisé mais difficile à prouver.
Les sursauts gamma sont divisés en deux grandes classes selon leur durée. Les sursauts courts, durant moins de deux secondes, sont associés à la fusion de deux étoiles à neutrons ou d’une étoile à neutrons et d’un trou noir. Les sursauts longs, durant plus de deux secondes, sont liés à l’effondrement d’étoiles massives, un processus appelé collapsar. Mais GRB 211211A, détecté en 2021, et GRB 230307A, détecté en 2023, ont brouillé cette classification bien établie. Les deux étaient des sursauts de longue durée, pourtant leurs rémanences montraient des signatures ressemblant à des kilonovae, les événements explosifs traditionnellement associés aux fusions d’étoiles à neutrons.
Cette ambiguïté laissait aux astrophysiciens deux possibilités : soit la classification traditionnelle était erronée et les fusions d’étoiles à neutrons pouvaient produire des sursauts longs, soit le modèle collapsar était plus polyvalent qu’on ne le pensait auparavant.
Les simulations par supercalculateur tranchent la question
L’équipe de Los Alamos, dirigée par le chercheur postdoctoral Marko Ristic, a eu recours au supercalculateur Chicoma pour modéliser la nucléosynthèse dans chaque scénario. Le diagnostic clé était la production d’éléments lourds. Les fusions d’étoiles à neutrons sont connues pour produire la gamme complète des éléments du processus r, y compris les plus lourds, comme l’or, le platine et l’uranium. Les collapsars, en revanche, ne produisent que des éléments du processus r plus légers.
Les simulations ont montré que les signatures de kilonova observées pour les deux sursauts gamma correspondaient presque exactement aux prédictions du modèle collapsar. Les rendements en éléments ne comportaient pas les éléments très lourds attendus d’une fusion, tout en correspondant au motif plus léger du processus r caractéristique d’un collapsar.
« Nous confirmons que ces deux sursauts gamma longs sont des collapsars, malgré le fait qu’ils présentent des émissions de kilonova qui ont auparavant fait penser aux scientifiques qu’ils pourraient être des fusions d’étoiles à neutrons », a déclaré Ristic. « Les sursauts gamma représentent certaines des situations les plus intenses et exotiques de l’univers. C’est un privilège d’utiliser les ordinateurs les plus puissants du monde pour les simuler. »
À quoi ressemble un collapsar
Dans le mécanisme collapsar, une étoile massive en rotation rapide épuise son combustible nucléaire et son cœur s’effondre. L’effondrement produit d’abord une étoile à neutrons, mais l’afflux continu submerge la structure de l’étoile à neutrons et celle-ci s’effondre davantage en un trou noir. La rotation du trou noir et le disque d’accrétion environnant lancent des jets relativistes qui traversent les couches externes de l’étoile, produisant le sursaut gamma.
L’idée clé de l’étude de Los Alamos est que les jets du collapsar peuvent produire un signal de type kilonova par la désintégration radioactive d’éléments fraîchement synthétisés, sans nécessiter l’intervention d’étoiles à neutrons en fusion. Les éjectas sont chauffés par la désintégration d’isotopes tels que le nickel-56, produisant un transitoire optique et infrarouge qui ressemble à une kilonova de fusion mais avec une empreinte chimique distincte.
« Les preuves suggèrent fortement que les kilonovae sont plus variées et plus difficiles à interpréter que nous ne le pensions », a déclaré Matthew Mumpower, physicien théoricien à Los Alamos et co-auteur de l’étude. « Cela signifie que toutes les émissions de type kilonova ne sont pas associées à la production des éléments les plus lourds, comme l’or. »
Implications pour la science des sursauts gamma
Les résultats préservent la classification traditionnelle sursaut court-fusion, sursaut long-collapsar, mais avec une nuance importante : les sursauts gamma longs peuvent produire des signaux de type kilonova, et la diversité des observations de kilonovae est plus grande qu’on ne le pensait auparavant. De futures observations, combinant notamment les détecteurs d’ondes gravitationnelles avec les télescopes électromagnétiques, seront nécessaires pour démêler complètement les populations de progéniteurs.
« Ces travaux montrent qu’un progrès rapide nécessite des calculs à grande échelle pour confronter les modèles aux données », a déclaré Mumpower. « Ces résultats éclaireront les futures campagnes de LIGO, Virgo, KAGRA et la prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles. »
Pour les deux sursauts gamma en question, l’origine collapsar est désormais confirmée. Les deux événements ont été détectés par le Fermi Gamma-ray Burst Monitor de la NASA, l’un des piliers de l’astrophysique des hautes énergies, et suivis par des observatoires au sol du monde entier. La modélisation détaillée de l’équipe de Los Alamos fournit le chaînon manquant entre la lumière observée et la physique sous-jacente.
Traduit par Lydie