Un télescope a pointé par hasard la supernova la plus brillante jamais observée.

Les supernovae comptent parmi les événements les plus énergétiques de l’Univers. Les sursauts gamma en constituent un sous-ensemble, une grande partie de l’énergie libérée provenant de photons de très haute énergie. Nous pensons savoir pourquoi cela se produit en termes généraux : le trou noir laissé derrière l’explosion expulse des jets de matière à une vitesse proche de celle de la lumière. Mais les détails concernant la manière dont ces jets produisent des photons et l’endroit où ils le font ne sont pas du tout près d’être élucidés.

Malheureusement, ces événements se produisent très rapidement et très loin, de sorte qu’il n’est pas facile d’obtenir des observations détaillées. Cependant, une récente explosion de rayons gamma, appelée BOAT (la plus brillante de tous les temps), pourrait nous fournir de nouvelles informations sur les événements qui se produisent quelques jours après l’explosion d’une supernova. Un nouvel article décrit les données d’un télescope qui s’est trouvé pointer dans la bonne direction et qui était sensible au rayonnement extrêmement énergétique produit par l’événement.

J’ai besoin d’une douche

Le « télescope » mentionné est le Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). Situé à près de 4 400 mètres au-dessus du niveau de la mer, l’observatoire est un ensemble d’instruments qui ne constituent pas un télescope au sens traditionnel du terme. Il est plutôt destiné à capter les pluies d’air, cette cascade complexe de débris et de photons produite lorsque des particules à haute énergie provenant de l’espace entrent en collision avec l’atmosphère.

Bien qu’ils soient limités par rapport aux télescopes traditionnels, les détecteurs de pluie d’air présentent certains avantages pour des événements comme le BOAT. Leur champ de vision est très large, car ils n’ont pas besoin de se concentrer sur un événement, mais plutôt de le reconstituer à partir des photons et des particules qui atteignent la surface de la Terre. En outre, ils ne sont sensibles qu’aux événements à haute énergie, ce qui signifie que la lumière du jour est trop peu énergétique pour interférer.

Comme LHAASO prenait des données au moment de l’éruption de la supernova BOAT, ses détecteurs ont non seulement capté le début de l’événement, mais ils ont aussi pu suivre son évolution pendant les jours qui ont suivi. Bien que la résolution spatiale soit médiocre, il y a eu une énorme quantité de données, toutes séparées par la longueur d’onde. Au cours des 100 premières minutes, plus de 64 000 photons ont été détectés à des énergies supérieures à 200 gigaélectronvolts. À titre indicatif, la conversion de la masse totale d’un proton en énergie produirait un peu moins d’un GeV.

L’une des premières choses évidentes est qu’il existe une grande différence entre les photons à des énergies plus faibles (mais toujours très élevées !) et ceux qui se trouvent aux extrémités du spectre électromagnétique. Les données relatives aux photons d’une énergie supérieure à un téraélectronvolt évoluaient de manière régulière dans le temps, tandis que les données relatives aux photons d’une énergie de l’ordre du mégaélectronvolt fluctuaient à la hausse et à la baisse.

Donner un sens aux données

Selon les chercheurs, ces données sont cohérentes avec l’idée que les événements à faible énergie sont dus à l’interaction des jets avec les débris turbulents de la supernova. Comme ces débris seront à la fois complexes et proches de la source des jets, ils limiteront l’espace dont disposent les particules dans les jets pour prendre de la vitesse, et donc plafonneront leur énergie.

Les photons à haute énergie, en revanche, sont produits dans les zones où les jets ont dégagé les débris de la supernova et commencent à interagir avec la matière qui a formé l’environnement autour de l’étoile – probablement des particules projetées par l’équivalent stellaire du vent solaire. Il s’agit d’un environnement plus clairsemé et plus cohérent, qui permet aux jets d’emprunter un chemin moins turbulent pour accélérer les particules jusqu’aux énergies extrêmes nécessaires à la production de photons à des énergies supérieures à un TeV.

S’il semble difficile de dépasser les débris d’une supernova, le processus est extrêmement rapide car les jets accélèrent les particules à une vitesse proche de celle de la lumière. Il ne faut donc qu’environ cinq secondes pour observer une augmentation rapide du nombre de photons TeV dans les données.

À partir de là, la pente est plus douce et dure environ 13 secondes. L’équipe de chercheurs à l’origine de ces travaux suggère que les jets interagissent avec les particules de l’environnement extérieur aux restes de l’étoile et les accélèrent. Cela augmente le nombre de photons à haute énergie, mais prive en même temps les jets d’une partie de leur énergie, car ils se heurtent à un amas de matière de plus en plus important à mesure qu’ils s’enfoncent dans l’environnement.

Finalement, cet amas de matière absorbe suffisamment d’énergie pour que le nombre de photons à haute énergie commence à diminuer progressivement. Ce déclin est suffisamment lent pour durer environ 11 minutes.

Dans le cas de la supernova BOAT, ce phénomène a été suivi d’une chute brutale du nombre de photons de haute énergie. On pense que cela résulte de l’élargissement des jets à mesure qu’ils s’éloignent de leur source et implique que la supernova BOAT était aussi brillante que nous l’avons observée parce que le noyau central de son jet était pointé directement vers la Terre. Le moment de cette chute fournit également des informations sur la largeur du jet à ce moment-là.

Il reste encore beaucoup à apprendre sur ces événements – nous ne savons toujours pas comment les trous noirs lancent des jets de matière, par exemple. Mais ce type d’observations détaillées peut nous donner une meilleure idée de la chronologie et de la dynamique de la formation des jets, ce qui contribuera finalement à informer les modèles de ce qui se passe lors de la formation des trous noirs et de la production des jets.

Science, 2023. DOI : 10.1126/science.adg9328 (À propos des DOI).