Grâce aux données du télescope spatial Fermi de la NASA, les chercheurs ont mis en évidence un pic d’énergie unique suite à l’explosion gamma la plus brillante jamais observée, suggérant l’annihilation d’électrons et de positrons. Cette découverte offre de nouvelles perspectives sur le comportement des jets cosmiques et les conditions extrêmes qui suivent de tels événements.

En octobre 2022, les astronomes ont été stupéfaits par ce qui a rapidement été surnommé le BOAT — l’explosion gamma la plus brillante de tous les temps (GRB). Une équipe scientifique internationale a maintenant rapporté que les données du télescope spatial Fermi de la NASA révèlent une caractéristique jamais observée auparavant.

Identification d’une Caractéristique Spectrale Inédite

« Quelques minutes après l’éruption du BOAT, le moniteur d’explosions gamma de Fermi a enregistré un pic d’énergie inhabituel qui a attiré notre attention », a déclaré la chercheuse principale Maria Edvige Ravasio de l’Université Radboud à Nimègue, aux Pays-Bas, et affiliée à l’Observatoire Brera, partie de l’INAF (Institut National d’Astrophysique) en Italie. « Lorsque j’ai vu ce signal pour la première fois, j’ai eu des frissons. Nos analyses montrent qu’il s’agit de la première ligne d’émission à haute confiance jamais observée en 50 ans d’études sur les GRB. »

Un article sur cette découverte a été publié dans l’édition du 26 juillet de la revue Science.

Lorsque la matière interagit avec la lumière, l’énergie peut être absorbée et réémise de manière caractéristique. Ces interactions peuvent éclaircir ou assombrir certaines couleurs (ou énergies), produisant des caractéristiques clés visibles lorsque la lumière est étalée, semblable à un arc-en-ciel, dans un spectre. Ces caractéristiques peuvent révéler une richesse d’informations, telles que les éléments chimiques impliqués dans l’interaction. À des énergies plus élevées, les caractéristiques spectrales peuvent dévoiler des processus particulaires spécifiques, comme l’annihilation de la matière et de l’antimatière pour produire des rayons gamma.

« Bien que certaines études antérieures aient rapporté des preuves possibles d’absorption et d’émission dans d’autres GRB, des examens ultérieurs ont révélé que toutes ces observations pouvaient simplement être des fluctuations statistiques. Ce que nous observons dans le BOAT est différent », a déclaré le co-auteur Om Sharan Salafia de l’INAF-Observatoire Brera à Milan, en Italie. « Nous avons déterminé que les chances que cette caractéristique ne soit qu’une fluctuation de bruit sont inférieures à une chance sur cinq cents millions. »

La Nature et l’Impact des Éruptions Gamma

Les GRB représentent les explosions les plus puissantes de l’univers et émettent d’énormes quantités de rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique. Le type le plus courant se produit lorsque le cœur d’une étoile massive épuise son carburant, s’effondre et forme un trou noir en rotation rapide. La matière tombant dans le trou noir alimente des jets de particules dirigés dans des directions opposées, qui traversent les couches extérieures de l’étoile à une vitesse proche de celle de la lumière. Nous détectons les GRB lorsque l’un de ces jets est presque directement orienté vers la Terre.

Le BOAT, officiellement connu sous le nom de GRB 221009A, a éclaté le 9 octobre 2022, saturant rapidement la plupart des détecteurs de rayons gamma en orbite, y compris ceux de Fermi. Cela a empêché la mesure de la partie la plus intense de l’explosion. Les observations reconstruites, couplées à des arguments statistiques, suggèrent que le BOAT, s’il fait partie de la même population que les GRB précédemment détectés, était probablement l’explosion la plus brillante à apparaître dans le ciel terrestre depuis 10 000 ans.

Perspectives sur les Interactions des Particules Cosmiques

La ligne d’émission présumée apparaît presque 5 minutes après la détection de l’explosion et bien après qu’elle se soit suffisamment atténuée pour mettre fin aux effets de saturation pour Fermi. La ligne a persisté pendant au moins 40 secondes, atteignant une énergie de pic d’environ 12 MeV (millions d’électronvolts). Pour comparaison, l’énergie de la lumière visible varie de 2 à 3 électronvolts.

Quelle est donc l’origine de cette caractéristique spectrale ? L’équipe pense que la source la plus probable est l’annihilation des électrons et de leurs homologues d’antimatière, les positrons.

« Lorsqu’un électron et un positron entrent en collision, ils s’annihilent, produisant une paire de rayons gamma avec une énergie de 0,511 MeV », a déclaré le co-auteur Gor Oganesyan de l’Institut de Science Gran Sasso et du Laboratoire National Gran Sasso à L’Aquila, en Italie. « Comme nous observons le jet, où la matière se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière, cette émission est fortement décalée vers le bleu et poussée vers des énergies beaucoup plus élevées. »

Directions de Recherche Futures et Collaboration

Si cette interprétation est correcte, pour produire une ligne d’émission culminant à 12 MeV, les particules s’annihilant devaient se déplacer vers nous à environ 99,9 % de la vitesse de la lumière.

« Après des décennies d’étude de ces incroyables explosions cosmiques, nous ne comprenons toujours pas les détails de leur fonctionnement », a noté Elizabeth Hays, scientifique du projet Fermi au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. « Trouver des indices comme cette remarquable ligne d’émission aidera les scientifiques à explorer cet environnement extrême plus en profondeur. »

Le télescope spatial Fermi est un partenariat en astrophysique et en physique des particules géré par Goddard. Fermi a été développé en collaboration avec le Département de l’Énergie des États-Unis, avec des contributions importantes d’institutions académiques et de partenaires en France, en Allemagne, en Italie, au Japon, en Suède et aux États-Unis.