Alma révèle pour la première fois le rayonnement millimétrique des kilonovae

Bien des progrès en astronomie ont résulté de l'ouverture d'une nouvelle fenêtrefenêtre d'observation dans une nouvelle bande du spectre électromagnétique. Les rayons X ont révélé les trous noirs stellairestrous noirs stellaires, les rayons infrarouges l'intérieur des nurseries d'étoiles et les ondes radio décimétriques la structure en bras de la Voie lactée.

C'est l'une des raisons de la conception de l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma). Une autre, complémentaire, c'est que le réseau de radiotélescopes ainsi construit permet de faire de la synthèse d'ouverturesynthèse d'ouverture et donc de disposer d'un instrument virtuel de très grande taille sans avoir à le créer.

Aujourd'hui, on apprend que le réseau de radiotélescopes Alma a été utilisé pour une grande première, observer dans le domaine radio millimétrique et submillimétrique les processus astrophysiquesastrophysiques associés aux kilonovae. Rappelons qu'il s'agit de collisions d'étoiles à neutronsétoiles à neutrons que l'on a découvert la première fois sous la forme de sursautssursauts gamma courts et dont on a récemment seulement pu déterminer la nature, bien que l'on s'en soit douté pendant des décennies. L'énergieénergie libérée est colossale, ce qui fait des sursauts gamma parmi les phénomènes les plus lumineux du cosmoscosmos.

La clé de cette détermination a été l'essor de l'astronomie multimessager avec la détection simultanée par LigoLigo et VirgoVirgo d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles provenant de la source GW170817, clairement associées sur la voûte céleste à des émissionsémissions d'ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques aussi bien dans le domaine X que gamma (GRB 170817A) - observées par les satellites ChandraChandra et Fermi -, que dans le domaine visible avec le Las Cumbres Observatory pour ne citer que ces instruments.

Des collisions d'étoiles à neutrons qui produisent l'or et le platine

Cette fois-ci, les astrophysiciensastrophysiciens ont publié un article dans The Astrophysical Journal Letters, dont une version est en accès libre sur arXiv, qui parle du sursaut gamma court GRB 211106A observé - comme son nom de Gamma Ray Burst l'indique, le 6 novembre 2021. Comme dans le cas de la source d'ondes gravitationnelles (Gravitational Wave) observée le 17 août 2017, la collision entre les étoiles à neutrons provient du fait que les deux astresastres compacts ont perdu de plus en plus rapidement de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, ce qui les a conduits à tomber inexorablement et de plus en plus vite l'un vers l'autre.

La fusion a non seulement dû produire des réactions thermonucléaires à l’origine de la naissance d’éléments lourds comme l’or et le platine, mais aussi un faisceau de particules collimaté à très hautes vitessesvitesses produisant également un faisceau tout aussi collimaté de photonsphotons gamma à hautes énergies. La Terre est passée par chance dans ce faisceau à la façon d'un observateur éclairé par un phare.

En injectant des torrents d'énergie dans le milieu interstellaire autour de lui, le sursaut gamma de courte durée GRB 21106A a produit une source lumineuse rémanente dont cette image a été capturée plus d'une semaine après l'occurrence du sursaut avec Alma. La lumière millimétrique, vue ici, indique l'emplacement de l'événement dans une galaxie hôte distante dans des images capturées à l'aide du télescope spatial Hubble. L'évolution de la luminosité de la lumière millimétrique renseigne sur l'énergie et la géométrie des jets produits lors de l'explosion. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), T. Laskar (Utah), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF) 

Le jet de particules et de photons gamma en s'injectant dans le milieu interstellaire l'excite et force la matièrematière qu'il contient, à briller en réponse. C'est ce rayonnement rémanent qui a été détecté pour la première fois dans la bande spectrale accessible à Alma. Avant cet instrument, les télescopestélescopes millimétriques n'étaient pas assez sensibles pour détecter ces rémanencesrémanences, car les GRB sont souvent observés à des milliards d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée. On n'observe donc que les GRB anciens et on soupçonne en plus que pour une raison encore inconnue, ils étaient plus abondants pendant les premiers milliards d'années de l'histoire du cosmos. De fait, GRB 211106A est survenu alors que l'UniversUnivers observable n'avait que 40 % de son âge actuel. Or, même si les kilonovae sont bien visibles de loin en gamma, ce n'est plus le cas avec le rayonnement rémanent qui est nettement moins lumineux.

Au départ, lorsque seule la contrepartie aux rayons X de GRB 211106A avait été découverte à l'aide du satellite SwiftSwift, les astrophysiciens pensaient que la kilonovae pourrait tout de même provenir d'une galaxiegalaxie voisine, bien qu'on n'arrivait pas à lui en associer une via des observations dans le visible avec HubbleHubble - sans doute en raison de la présence sur la ligne de visée aux abords du GRB d'une quantité importante de poussières.

Mais finalement, grâce à Alma, il a été possible de trouver une galaxie peu lumineuse et lointaine où s'est produit le sursaut gamma. La distance déterminée, il fallut en conclure qu'il s'agissait de l'un des plus puissants GRB détectés à ce jour...

Alma, conjointement avec des observations du JWST (James Webb Space TelescopeJames Webb Space Telescope) devrait permettre d'aller encore plus loin dans l'étude des sursauts gamma courts.