Des astronomes restent perplexes face à une explosion cosmique ultrarapide et ultrapuissante

En octobre 2020, une équipe d’astronomes a détecté une énorme explosion à plusieurs milliards d’années-lumière de la Terre. Elle est apparue soudainement, a affiché un pic de luminosité en quelques jours, puis a disparu rapidement en un mois. Un événement cosmique extrême venait de se produire : un phénomène rarement observé, que l’on appelle « transitoire optique bleu rapide », baptisé ZTF20acigmel, surnommé « le chameau ».

En astronomie, un transitoire optique bleu rapide (ou FBOT, pour fast blue optical transient) est une impulsion lumineuse transitoire très brève, provoquée par un processus astrophysique de très haute énergie. Ces événements puissants et rapides partagent certaines caractéristiques avec les supernovas d’étoiles massives et avec les explosions qui génèrent des sursauts gamma. Trois autres FBOT sont actuellement connus : AT2018cow (« la vache »), CSS161010 et ZTF18abvkwla («  le koala »).

Leur découverte est relativement récente : CSS161010 a été découvert en 2016, dans une galaxie située à environ 500 millions d’années-lumière de la Terre. « Il nous a fallu près de deux ans pour comprendre ce que nous examinions simplement parce que c’était si inhabituel », déclarait alors Raffaella Margutti, astronome à l’Université Northwestern et membre de l’équipe qui a fait cette découverte. AT2018cow et ZTF18abvkwla, situés respectivement à 200 millions et 3,4 milliards d’années-lumière, ont été repérés en 2018.

Des événements brefs et extrêmement chauds

Les FBOT sont dits « rapides » car ils atteignent leur luminosité maximale en quelques jours seulement et « bleus » parce qu’ils affichent des températures extrêmement élevées. Ils se distinguent des autres événements explosifs du fait qu’ils projettent de grandes quantités de matière dans l’espace à des vitesses élevées — CSS161010 a éjecté l’équivalent d’1 à 10% de la masse du Soleil à plus de la moitié de la vitesse de la lumière. Et contrairement aux supernovas — les explosions d’étoiles en fin de vie — les FBOT disparaissent relativement rapidement, en quelques semaines à peine ; les rémanents de supernovas, soit la matière éjectée lors de l’explosion de l’étoile, restent quant à eux visibles plusieurs années.

Cependant, même après la disparition de leur lumière visible, les FBOT demeurent des sources importantes de rayonnement. Cet étrange comportement a amené les astrophysiciens à rechercher l’origine des ces phénomènes. Dans un article publié le 13 octobre sur la base de données arXiv, des astronomes ont étudié « le chameau » ( ZTF20acigmel ou AT2020xnd) dans toutes les longueurs d’onde du spectre électromagnétique (ondes radios, millimétriques et rayons X), afin d’avoir un aperçu de tout le rayonnement émis après l’explosion initiale.

L’équipe a alors constaté que l’explosion initiale était également très brillante dans les fréquences radios et millimétriques, ce qui suggère que l’explosion a traversé son voisinage cosmique extrêmement rapidement, probablement à quelques dixièmes de la vitesse de la lumière (soit plus de 160 millions de km/h), ont écrit les chercheurs. Or, des émissions radio aussi brillantes proviennent généralement d’un rayonnement synchrotron, émis par des particules chargées qui se déplacent dans un champ magnétique à très grande vitesse (une fraction de la vitesse de la lumière). Leurs analyses ont également révélé qu’il y avait probablement une grande quantité de gaz à haute densité autour de l’étoile au moment de l’explosion.

La possible naissance d’un trou noir

Les chercheurs ont par ailleurs observé que ZTF20acigmel continuait d’émettre des rayons X longtemps après que le phénomène n’émette plus dans le spectre visible ; le rayonnement semble dériver d’un processus distinct de celui à l’origine des ondes radios. Comme pour « la vache », ce flux de rayons X suggère que quelque chose de très puissant, tel qu’un trou noir ou une étoile à neutrons, est à l’origine des émissions intenses du chameau, estime l’équipe. « Quelque chose d’inhabituel s’est produit dans le processus d’effondrement du noyau. Ce que nous prétendons, c’est qu’au lieu de s’effondrer en une étoile à neutrons, l’étoile s’est effondrée directement dans un trou noir », explique Daniel Perley, astrophysicien à l’Université John Moores de Liverpool, qui a dirigé l’étude.

« Nos travaux suggèrent que l’émission d’ondes millimétriques, radios et de rayons X est une caractéristique générique des transitoires avec des courbes de lumière optique rapides (3 jours en moyenne) et lumineuses (une magnitude de -21 en moyenne) », résument les chercheurs dans leur article.

Il se pourrait que les FBOT soient des événements extrêmement rares, des explosions qui se produisent au moment où une vieille étoile implose, s’effondrant en un trou noir massif ou une étoile à neutrons tournant rapidement. Mais jusqu’à présent, les astronomes n’ont jamais vu ces processus se produire, il est donc difficile de savoir avec certitude à quoi ressemblerait le flux de radiations qui en résulterait.

L’équipe estime néanmoins que les explosions énergétiques dans des environnements denses pourraient représenter « une population significative de transitoires extragalactiques dans le ciel à 100 GHz ». Des phénomènes transitoires tels que AT2018cow et AT2020xnd seront peut-être détectés par les futurs relevés de transitoires millimétriques à grand champ — comme prévu dans le cadre de l’expérimentation CMB-S4. Les astronomes espèrent que davantage de ces objets surgissent, afin qu’ils puissent être étudiés plus en détail.

Source : arXiv, Anna Ho et al.