À travers l'univers, à environ 7,5 milliards d'années-lumière, une étoile mourante a libéré certains des astronomes de la lumière à la plus haute énergie jamais vus. Et ces particules de lumière, ou photons, aident les astronomes à comprendre comment ces particules sont stimulées par des énergies aussi extrêmes.
Les astronomes ont trouvé les photons à ultra-haute énergie alors qu'ils regardaient un événement appelé un éclat de rayons gamma, ou GRB. Pensées comme résultant de la collision d'étoiles à neutrons ou de l'effondrement d'une étoile massive, les sursauts gamma apparaissent soudainement, parfois pendant seulement une fraction de seconde. L'une de ces explosions éphémères peut libérer plus d'énergie que le soleil n'en générerait pendant toute sa vie. Ces événements sont difficiles à saisir, mais une rémanence suit l'éclatement. La lumière de la rémanence est plus faible mais dure plus longtemps, permettant aux astronomes de la mesurer en détail.
Le 14 janvier 2019, un tel éclat de rayons gamma, nommé GRB 190114C, a été découvert par deux télescopes spatiaux grâce à un système automatisé. En moins de 22 secondes, les astronomes sur Terre ont dirigé leurs télescopes au sol pour mesurer la rémanence après l'événement.
"Nous recherchons depuis plus de 20 ans", Razmik Mirzoyan, porte-parole des principaux télescopes Cherenkov d'imagerie gamma atmosphérique (MAGIC) collaboration et co-auteur de la nouvelle étude, a déclaré Live science. Qu'ils ont pu trouver celui-ci, a expliqué Mirzoyan, "ce n'était pas une simple chance, c'est juste de la persévérance".
En termes astronomiques, l'événement était relativement proche, ce qui a permis aux astronomes de mesurer la rémanence sur une large gamme de longueurs d'onde. Au cours des 10 prochains jours, les scientifiques ont collecté des données de six satellites et de 15 télescopes au sol qui ont détecté des radiations dans des longueurs d'onde allant de la radio à la lumière ultraviolette.
En analysant les mesures des premières dizaines de secondes après l'éclatement, les astronomes ont trouvé des photons avec des énergies de milliers de milliards d'électronvolts - soit des milliards de fois l'énergie des photons typiques provenant du soleil.
Alors que des photons avec des énergies supérieures à 1 billion d'électrons volts ont été détectés avant d'autres sources astrophysiques telles que les restes de supernovae, aucun n'était connu pour provenir d'un GRB.
Les données de longueurs d'onde multiples ont aidé les astronomes à déterminer comment les particules étaient excitées. Des photons de faible énergie avaient été libérés par des particules en spirale autour des champs magnétiques dans un processus connu sous le nom de rayonnement synchrotron. En revanche, les photons ultra-haute énergie record ont été accélérés par des collisions avec des électrons de haute énergie - une variation d'un mécanisme que les scientifiques appellent la diffusion Compton inverse. Les résultats confirment les théories sur les GRB et aident les astronomes à comprendre la physique de ces explosions bizarres.
"Après plus de 50 ans depuis la découverte des GRB, nombre de leurs aspects fondamentaux restent encore mystérieux", a déclaré Mirzoyan dans un communiqué. "La découverte de l'émission de rayons gamma à partir du GRB 190114C… montre que les explosions du GRB sont encore plus puissantes que prévu."
Alors que les astronomes recherchent depuis longtemps de tels photons à ultra-haute énergie, le GRB 190114C n'était pas un événement rare - juste un événement difficile à attraper. Grâce à des télescopes tels que MAGIC et le système stéréoscopique à haute énergie (H.E.S.S.), qui sont conçus pour détecter les rayons gamma à ultra-haute énergie, et à des systèmes automatisés pour détecter les GRB initiaux, les scientifiques s'attendent à capter davantage de tels photons à ultra-haute énergie à l'avenir.
"Nous entrons dans une nouvelle ère de découverte de photons à ultra-haute énergie", a déclaré à Live Science dans un e-mail Bing Zhang, astrophysicien à l'Université du Nevada à Las Vegas, qui n'était pas impliqué dans la nouvelle étude. "Comme une physique riche est attendue dans le régime des hautes énergies, ces observations apporteront certainement des excitations dans les années à venir."
Les nouveaux résultats ont été publiés le 20 novembre dans la revue Nature.
