Des astronomes ont identifié des pulsations millisecondes à l’intérieur d’un sursaut gamma, susceptibles d’être liées à la naissance d’un magnétar milliseconde, une étoile à neutrons en rotation ultrarapide et dotée d’un champ magnétique d’une intensité extrême. Il pourrait s’agir de la première détection directe d’un signal périodique de ce type au sein d’un sursaut gamma. Ces observations suggèrent que ces objets pourraient alimenter certaines des explosions les plus lumineuses de l’Univers.
Les sursauts gamma comptent parmi les phénomènes les plus énergétiques connus dans l’Univers. Ils surviennent soit lors de la collision d’étoiles à neutrons, soit à l’issue de l’effondrement d’étoiles massives, laissant derrière elles des vestiges cosmiques extrêmes. Depuis plusieurs décennies, les astronomes débattent de savoir si ces vestiges s’effondrent directement en trous noirs ou s’ils donnent naissance à d’autres objets, tels que des étoiles à neutrons fortement magnétisées, appelées « magnétars ».
Théorisés il y a plus de dix ans, ces objets extrêmes généreraient un champ magnétique environ mille fois plus puissant que celui des étoiles à neutrons classiques. Les chercheurs tentent de les déceler à travers l’analyse des sursauts gamma, mais jusqu’ici aucun n’avait pu être observé directement.
En 2023, un sursaut gamma baptisé GRB 230307A — présenté comme l’un des plus brillants jamais enregistrés — pourrait receler le signal d’un magnétar, selon une étude menée par une équipe de l’Université de Hong Kong (HKU). Les observations initiales indiquent qu’il tient son origine de la fusion d’étoiles compactes. Toutefois, il s’est distingué par une durée inhabituellement longue : une minute, contre moins de deux secondes pour les sursauts gamma courts, généralement associés à la fusion d’étoiles compactes.
Une fluctuation périodique détectée au sein du sursaut pourrait indiquer la naissance d’un magnétar milliseconde. « Cet événement nous a offert une opportunité rare », explique dans un communiqué Bing Zhang, professeur de physique à la HKU et co-auteur de l’étude. « En découvrant son « battement de cœur » caché, nous pouvons enfin affirmer avec certitude que certains sursauts gamma ne sont pas alimentés par des trous noirs, mais par des magnétars nouvellement formés », ajoute-t-il.
« … le premier battement de cœur d’une étoile naissante. »
L’étude, menée en collaboration avec l’Université de Nanjing et l’Institut de physique des hautes énergies de l’Académie chinoise des sciences (CAS), s’appuie sur plus de 600 000 lots de données recueillies par le réseau GECAM, un ensemble de détecteurs dédiés aux rayons gamma. Les analyses de GRB 230307A, publiées dans la revue Nature Astronomy, ont mis en évidence une fluctuation périodique de 909 Hz, survenue 24,4 secondes après le début du sursaut et ne durant que 160 millisecondes. Le signal, tournant près de 1000 fois par seconde, correspondrait aux caractéristiques attendues d’un magnétar milliseconde naissant.
Ces résultats ont été confirmés de manière indépendante par les instruments GECAM-B, GECAM-C et le Fermi Gamma-ray Burst Monitor de la NASA. Selon Run-Chao Chen, doctorant à l’Université de Nanjing et auteur principal de l’étude : « C’est la première fois que nous observons directement un signal périodique provenant d’un magnétar milliseconde au cœur d’un sursaut gamma. C’est comme entendre le premier battement de cœur d’une étoile en train de naître. »
Une sursaut gamma dominé par des champs magnétiques
Pour les chercheurs, la brièveté de l’impulsion milliseconde pourrait s’expliquer par le fait que le magnétar imprime une signature périodique dans le sursaut gamma via son champ magnétique. Mais comme l’explosion évolue rapidement, ce signal ne serait perceptible que lorsqu’elle devient momentanément asymétrique. « Pendant seulement 160 millisecondes, le battement de cœur était visible, avant que la symétrie du sursaut ne le masque à nouveau », précise Zhang.
Sur cette base, GRB 230307A serait alimenté par un jet dominé par le flux de Poynting — un flux d’énergie généré principalement par des champs magnétiques plutôt que par la matière — ce qui correspond à la présence d’un magnétar naissant.
Jusqu’ici, les objets à l’origine des sursauts gamma étaient principalement déduits par modélisation. Les résultats de cette étude apporteraient donc la première preuve observationnelle directe de la rotation d’un magnétar au sein d’un tel phénomène. Ils montrent également que ce type d’objet peut naître de la fusion d’étoiles compactes.
Pour la suite, les chercheurs entendent rechercher des signaux périodiques similaires dans d’autres sursauts gamma. « Avec la mise en service de nouveaux observatoires spatiaux plus performants, nous nous attendons à identifier davantage de ces signaux fugaces », conclut Zhang.
