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Derrière le sursaut gamma long se cachait un magnétar

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Des observations effectuées depuis les observatoires de La Silla et de Paranal au Chili ont pour la première fois établi un lien formel entre un sursaut gamma de très longue durée (plus de 7 heures !) et une explosion de supernova particulièrement lumineuse. Il est ainsi apparu que cette supernova n'était pas alimentée par l'énergie issue de désintégrations radioactives, mais par celle produite lors de la désagrégation de champs magnétiques ultrapuissants autour d'un objet exotique baptisé magnétar.

Illustration d’un sursaut gamma et d’une supernova alimentés par un magnétar. © Eso

Les sursauts gamma (Gamma Ray Bursts, ou GRB) résultent de phénomènes explosifs parmi les plus puissants survenus depuis le Big Bang. Ils font l'objet de détections par des télescopes spatiaux sensibles à ce type de rayonnement de haute énergie incapable de pénétrer l'atmosphère terrestre, puis d'un suivi, à de plus courtes fréquences, par d'autres télescopes disposés au sol et dans l'espace.

Bien souvent, les GRB ne durent que quelques secondes. Dans des cas très rares toutefois, leur durée peut avoisiner plusieurs heures (quatre GRB dont les durées sont comprises entre 10.000 et 25.000 secondes ont été détectés à ce jour). Un tel GRB de très longue durée, baptisé GRB 111209A, fut détecté par le satellite Swift, le 9 décembre 2011. Il fut l'un des GRB les plus longs et les plus brillants jamais observés.

L'émission rémanente de ce sursaut a été étudiée au moyen de l'instrument Grond (Gamma-Ray Burst Optical/Near-Infrared Detector) qui équipe le télescope MPG/ESO de 2,2 m à La Silla et de l'instrument X-shooter installé sur le VLT à Paranal. La signature claire d'une supernova par la suite désignée SN 2011kl fut détectée. C'est la toute première fois que le présent phénomène est associé à un GRB ultralong.

Plusieurs explications aux phénomènes envisagées

L'auteur principal de l'article publié dans l'édition du 9 juillet de la revue Nature, Jochen Greiner de l'institut Max Planck dédié à la Physique extraterrestre (Garching, Allemagne), revient sur cette découverte : « Puisqu'un sursaut gamma accompagne une supernova sur 10.000 ou 100.000 seulement, l'étoile qui a explosé doit présenter quelque particularité peu commune. Les astronomes avaient supposé que ces GRB provenaient d'étoiles très massives — quelque 50 fois plus massives que le Soleil — et qu'ils signalaient la formation d'un trou noir. Nos nouvelles observations de la supernova SN 2011kl, découverte après le GRB 111209A, remettent en question l'application de ce postulat aux GRB ultralongs. »

Le sursaut gamma GRB 111209A, observé le 9 décembre 2011, fut l’un des plus longs jamais détectés : plus de 7 heures. Nous le découvrons ici imagé en fausses couleurs par le satellite Swift. © Nasa, Swift, B. Gendre (ASDC, INAF-OAR, Artemis)

Dans le scénario privilégié de l'effondrement d'une étoile massive (parfois baptisé collapsar), la lente émission rémanente dans les domaines optique et infrarouge en provenance de la supernova est supposée résulter de la désintégration radioactive du nickel 56 produit lors de l'explosion. Les observations effectuées au moyen de Grond et du VLT ont cependant montré, pour la première fois, que ce scénario ne pouvait s'appliquer au GRB 111209A. La quantité de nickel 56 présente dans la supernova et mesurée par l'instrument est bien trop élevée pour être compatible avec la forte émission de rayonnement ultraviolet captée par l'instrument X-shooter. D'autres hypothèses ont également été écartées comme des interactions de type chocs avec la matière environnante, en lien possible avec les enveloppes stellaires éjectées avant l'explosion, ou l'existence d'un ancêtre stellaire de type e. Dans le cas de SN 2011kl, l'une et l'autre hypothèses se trouvent clairement rejetées par les observations.

Premier lien observé entre une supernova et un magnétar

Une seule explication concordait avec les observations de la supernova consécutive au GRB 111209A : celle-ci devait être alimentée par un magnétar, une étoile à neutrons de faibles dimensions effectuant plusieurs centaines de rotations par seconde et dotée d'un champ magnétique bien plus puissant que celui des étoiles à neutrons dites normales, ou pulsars radio. Les magnétars sont supposés être les objets les plus fortement magnétisés de l'Univers connu. Pour la première fois, un lien formel entre une supernova et un magnétar a pu être établi.

Paolo Mazzali, coauteur de l'étude, revient sur l'importance de ces découvertes : « Les nouveaux résultats apportent une réelle preuve de l'existence d'une relation inattendue entre les GRB, les supernovae très lumineuses et les magnétars. Certaines de ces relations avaient été entrevues au plan théorique ces dernières années, mais l'établissement de cette relation globale constitue un tout nouveau développement, fort passionnant. »

« L'exemple de SN 2011kl/GRB 111209A nous oblige à formuler une alternative au scénario de l'effondrement. Cette découverte nous apporte une vision renouvelée et éclairée des GRB ainsi que des processus à l'œuvre » , conclut Jochen Greiner.