Des chercheurs déchiffrent le code derrière les plans cosmiques

Les écoulements de matière sont observés sous forme de jets dans les systèmes astronomiques avec des vitesses variables, allant de rapide à lente. Les jets sous forme de matière en écoulement sont couramment observés dans les systèmes astronomiques à des vitesses variables, allant de rapide à lente. Les avions les plus rapides sont très relativistes et peuvent atteindre des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Bien qu’il s’agisse d’un phénomène largement observé, l’origine de ces jets et nombre de leurs caractéristiques restent un mystère.

Pendant longtemps, les experts ont été déconcertés par la distribution bimodale des vitesses des avions, certaines incroyablement rapides et d’autres lentes, et une absence remarquable de vitesses intermédiaires. Cependant, des chercheurs de l’Université Bar-Ilan ont reconsidéré les données et il semble qu’ils aient finalement résolu ce mystère déroutant.

Dans de nombreux systèmes de galaxies et extragalaxies différents, l’émission de matière est couramment observée sous la forme de jets. La vitesse à laquelle cette scène se produit varie considérablement. Outre les jets relativement lents associés aux étoiles à neutrons ou aux systèmes d’étoiles binaires, des jets relativistes très rapides sont observés à des vitesses très proches de la vitesse de la lumière. Les jets connus les plus rapides sont associés à un phénomène connu sous le nom de « sursauts gamma ».

Ce phénomène se caractérise par un premier flash de rayons gamma, d’une durée de quelques secondes au cours duquel apparaît une forte émission de rayonnement gamma. S’ensuit alors une « rémanence » qui dure bien plus longtemps que des heures, des jours, voire des mois. Au cours de cette ère, l’émission s’estompe plus tard et est observée sous forme de longueurs d’onde inférieures, de rayons X, d’ultraviolet, d’optique, d’infrarouge et de fréquences radio à des moments beaucoup plus tardifs.

Au-delà de la question de savoir pourquoi les jets de ces objets s’accélèrent, il existe un mystère qui semble sans rapport avec ce qui se passe pendant la période intermédiaire de centaines à milliers de secondes, pendant laquelle l’émission s’estompe ou reste constante. Dans certains cas, après quelques dizaines de secondes, l’émission de rayons X décroît de manière exponentielle, comme on pourrait s’y attendre d’une explosion relativiste entrant en collision avec la matière et le rayonnement présents dans l’espace interstellaire de la galaxie.

Cependant, dans environ 60% des cas observés, l’émission visible ne s’estompe pas mais reste plutôt constante. Cette observation a toujours été une source de confusion pour les chercheurs, et aucune explication convaincante n’a été trouvée depuis la découverte de ce phénomène il y a environ 18 ans.

Des chercheurs du département de physique de l’université Bar-Ilan viennent de démontrer que cette émission visible permanente est une conséquence naturelle de la vitesse du jet, qui est bien inférieure à ce que l’on supposait généralement et comble l’écart entre les vitesses mesurées à partir de diverses sources. En d’autres termes, la vitesse initiale plus faible du jet pourrait expliquer l’absence de décroissance et l’émission plus prononcée et durable.

Les chercheurs ont montré que les résultats précédents, d’où étaient déduites des vitesses élevées dans ces organes, ne sont pas valables dans ces cas. Ce faisant, ils ont changé le modèle et prouvé que les avions se forment dans la nature à toutes les vitesses. L’étude a été publiée dans la revue Communication Nature Et l’éditeur du magazine l’a choisi comme l’un des 50 des articles les plus importants récemment publiés.

L’une des principales questions ouvertes dans l’étude des sursauts gamma est de savoir pourquoi, dans une si grande proportion de cas, les rayons X, visibles pendant plusieurs jours, ne s’estompent pas pendant longtemps. Pour répondre à cette question, les chercheurs ont procédé à une cartographie minutieuse des données, nombreuses mais dispersées et « bruyantes ».

Après une recherche documentaire exhaustive, ils ont créé un échantillon de données de haute qualité. Après avoir examiné les explications du phénomène dans la littérature existante, ils ont constaté que tous les modèles actuels, sans exception, font des hypothèses supplémentaires qui ne sont pas étayées par les données. Ce qui est plus important, c’est qu’aucun des modèles n’a fourni d’explication convaincante pour les données propres. Ainsi, les chercheurs sont revenus au modèle de base et ont essayé de comprendre laquelle des hypothèses de base était incorrecte.

Ils ont découvert qu’il suffisait de changer une seule hypothèse, à propos de la vitesse initiale des avions, pour expliquer les données. Les chercheurs ont continué et ont examiné les données qui ont amené d’autres astrophysiciens à conclure que les jets doivent être hautement relativistes (c’est-à-dire, voyageant très près de la vitesse de la lumière = extrêmement rapide), et ont découvert, à leur grande surprise et leur plus grand plaisir, qu’aucun des les jets devraient être hautement relativistes. Les arguments trouvés étaient valables dans les cas étudiés. De là, ils ont rapidement conclu qu’ils étaient très probablement dans la bonne direction.

Le professeur Assaf Peer, qui a dirigé la partie théorique de cette recherche, se décrit comme un théoricien qui aime travailler avec les données.

« Les systèmes astrophysiques sont généralement très complexes et les modèles théoriques, qui sont de nature plus simple, manquent souvent de points clés », explique-t-il. « Dans de nombreux cas, un examen attentif des données, comme nous l’avons fait ici, montre que les idées existantes ne fonctionnent tout simplement pas. C’est ce qui nous a incités à proposer de nouvelles idées. Parfois, l’idée la plus simple et la moins complexe suffit. »

Les partenaires du professeur Beer dans cette recherche sont le premier auteur de l’étude, le Dr Hussein Direli Beg, du groupe de recherche Bar-Ilan, et le professeur Felix Reid, du KTH Royal Institute of Technology de Stockholm. Alors que Beer se concentrait sur la théorie, ses collaborateurs se concentraient sur l’analyse des données qui motivaient et soutenaient la théorie qu’il proposait.

« Il nous a fallu un certain temps pour développer une compréhension, et une fois que j’ai réalisé qu’il y avait une norme dans l’ensemble qui devait changer, tout a fonctionné comme un puzzle », explique le professeur Beer. « À tel point qu’à un moment donné, chaque fois que nous avons soulevé un nouveau problème potentiel, il était clair pour moi que les données seraient en notre faveur, et en fait, ça l’a été.

La recherche astrophysique est, par nature, une recherche fondamentale. Si les chercheurs ont effectivement raison, les résultats ont des implications profondes qui pourraient conduire à un changement de paradigme dans le domaine, ainsi que dans la compréhension des processus physiques qui produisent des jets. Il est important de noter que les origines de ce phénomène ne sont pas encore entièrement connues, mais il est clairement lié à l’effondrement d’une étoile (ou d’une paire d’étoiles) dans[{ » attribute= » »>black hole. The research results are very important in understanding these mechanisms, as well as the type of stars that end their lives in a way that produces strong gamma radiation.

“Scientific research is fascinating. New ideas are constantly born and tested. Since the data are often inconclusive, people often publish their ideas and move on,” says Prof. Pe’er. “Here was a unique case, in which, after examining many ideas, I suddenly realized that the explanation could be very simple. After I proposed the explanation, we checked it again and again against the existing data, and it passed test after test. So sometimes, the simplest explanation is also the most successful one.”

Reference: “A wind environment and Lorentz factors of tens explain gamma-ray bursts X-ray plateau” by Hüsne Dereli-Bégué, Asaf Pe’er, Felix Ryde, Samantha R. Oates, Bing Zhang and Maria G. Dainotti, 24 September 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-32881-1