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Un instrument de l’IRM détecte la naissance d’un trou noir

Le 9 octobre 2022, les physiciens du monde entier ont été témoins d'un événement astrophysique rare qui compte parmi les phénomènes naturels les plus énergétiques et les plus intenses après le Big Bang.

Un faisceau de lumière à haute énergie (appelé rayons gamma) passant près de la Terre a été détecté par un certain nombre d'instruments spatiaux et terrestres, annonçant ce que l'on pense être l'effondrement d'une étoile massive. Ces faisceaux de rayons intenses et énergétiques, connus sous le nom de "sursauts de rayons gamma" (Gamma Ray Bursts en anglais, GRB) marquent la fin de la vie des étoiles géantes et l'apparition d'un trou noir.

Le sursaut était suffisamment puissant pour ioniser l'atmosphère terrestre et perturber les communications radio à longues ondes. Il a été détecté par le moniteur d'éruptions solaires de l'IRM. Le détecteur mesure l'amplitude du signal radio très basse fréquence réfracté par l'ionosphère et émis par les stations de radiocommunication maritimes.  En fonction de l'état de l'ionosphère, l'amplitude du signal réfléchi mesuré par notre instrument est caractéristique du degré d'ionisation de la couche ionosphérique la plus basse, à environ 60 km d'altitude. 

Une origine au-delà de notre galaxie

Les observations habituelles de GRB sont des pics provoqués par des éruptions sur le Soleil.  Le 9 octobre 2022 à 13:20 UTC, les instruments du Centre de Physique du Globe de l’IRM à Dourbes ont mesuré une augmentation de l'amplitude au-dessus du signal de base correspondant approximativement à une forte éruption solaire. Cependant, pendant ce temps, le Soleil était relativement calme. La forme du pic n'était pas non plus caractéristique d'une éruption solaire.

Il s'est avéré que la raison de ce flash de lumière énergétique se trouvait au-delà de notre système solaire et même de notre galaxie.  Cela a été confirmé par un télescope spatial (https://swift.gsfc.nasa.gov/ ) qui a détecté pour la première fois l'explosion de rayons gamma le 9 octobre 2022. Cet événement, l'un des plus proches de nous de ce type et donc l'un des plus durables et lumineux, s'est produit il y a environ 1,9 milliards d'années. Les astronomes ont identifié le lieu de l'événement dans la constellation du Sagittaire. Cependant, en raison de sa forte intensité, l'événement a été surnommé BOAT (Brightest Of All Time)- "le plus brillant de tous les temps".

Amplitude en fonction du temps UTC mesurée par le moniteur SuperSID au Centre de Physique du Globe de l’IRM à Dourbes, le 9 octobre 2022 (http://supersid.meteo.be/?startdate=2022-10-09)

Amplitude en fonction du temps UTC mesurée par le moniteur SuperSID au Centre de Physique du Globe de l’IRM à Dourbes, le 9 octobre 2022 (http://supersid.meteo.be/?startdate=2022-10-09)

Supernova : une étoile explose et fait place à un trou noir

À l'heure actuelle, l'explication la plus plausible de cet énorme GRB est l'effondrement d'une grande étoile sur sa propre masse. Les réactions nucléaires et l'énergie qu'elles libèrent équilibrent l'attraction gravitationnelle et maintiennent la taille de l'étoile. Lorsque son combustible s'épuise, l'intensité de la production d'énergie et l'expansion thermique diminuent et, sous l'effet de la gravité, la taille de l'étoile commence à diminuer (imaginez une montgolfière qui rétrécit en refroidissant).

Après un certain temps, le rétrécissement dû à l'attraction gravitationnelle devient dominant et s'accélère encore. Les pressions et densités élevées qui en résultent permettent à différents processus de se dérouler et de produire d'immenses quantités d'énergie qui sont libérées dans une explosion géante - une explosion de supernova. Ce que nous avons observé, ce sont les photons (lumière) de ces jets et aussi la lueur de la matière environnante affectée par l'explosion initiale. Bien que l'événement ne soit pas rare (environ 100 par an), l'ampleur de celui-ci est sans précédent.

Des informations importantes pour la recherche scientifique

Ce sursaut de rayons gamma implique un grand nombre d'activités scientifiques - des observations continues de la rémanence à l'analyse des diverses données mesurées par différents types d'instruments à bord de satellites ou au sol. Pour les astrophysiciens, l'événement fournit des informations supplémentaires sur le cycle de vie des grandes étoiles et la mécanique de la formation des trous noirs. L'énergie extrêmement élevée des particules observées est importante pour le développement et la vérification des théories de la physique fondamentale. La proximité de l'événement permet également de mesurer des paramètres qui sont habituellement trop faibles pour être détectés.

Pour le groupe de météorologie spatiale de l'IRM, les GRB fournissent des informations spécifiques sur les processus dans la basse atmosphère et leurs implications pour les communications radio et la navigation. La cinétique d'ionisation d'un événement aussi court et énergétique que celui du 9 octobre 2022 est différente de la réponse typique aux éruptions solaires : le temps de montée est nettement plus court et la décroissance du pic est linéaire. Jusqu'à présent, il s'agit du premier événement détecté par l'instrument de l’IRM.  Malgré sa petite taille et son coût très bas, il s'est avéré très sensible aux éruptions solaires et plus encore, et maintenant aussi à la détection des sursauts gamma intenses. Les mesures seront utilisées pour vérifier les calculs théoriques et la réponse quantitative de ce type de détecteur aux éruptions solaires et autres sources lumineuses hautement énergétiques.

L'instrument qui a détecté le sursaut de rayons gamma du 9 octobre 2022, le "Sudden Ionospheric Detector (alias Solar Flare Monitor, ou SuperSID)" http://ionosphere.meteo.be/instruments/SID.php.

L'instrument qui a détecté le sursaut de rayons gamma du 9 octobre 2022, le "Sudden Ionospheric Detector (alias Solar Flare Monitor, ou SuperSID)" http://ionosphere.meteo.be/instruments/SID.php.

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