Étude sur l’émission prompte de rayons X mous du sursaut gamma à haut décalage vers le rouge EP240315A

Contexte

Les sursauts gamma (Gamma-Ray Bursts, GRBs) sont parmi les événements les plus violents de l’univers, avec des durées allant de quelques millisecondes à plusieurs centaines de secondes. Les sursauts gamma de longue durée (Long GRBs) sont censés provenir de l’effondrement du cœur d’étoiles massives, ce qui en fait des outils essentiels pour étudier l’histoire de la formation des étoiles dans les galaxies à haut décalage vers le rouge (High-Redshift). Les GRBs à haut décalage vers le rouge (z > 4.5) sont particulièrement précieux, car ils peuvent nous aider à explorer l’époque de la réionisation et l’histoire de la formation des étoiles dans l’univers primitif. Cependant, la détection de GRBs à haut décalage vers le rouge est extrêmement rare, représentant seulement environ 3 % des déclenchements du satellite Swift, et environ 10 % des échantillons de GRBs avec un décalage vers le rouge connu ont un z > 4.5.

Afin d’étudier davantage les caractéristiques des GRBs à haut décalage vers le rouge, en particulier leur comportement d’émission dans le domaine des rayons X mous, l’équipe de recherche a utilisé le télescope à grand champ de rayons X (Wide-Field X-ray Telescope, WXT) à bord du satellite Einstein Probe (EP) pour observer en détail le GRB à haut décalage vers le rouge EP240315A. Cette étude vise à révéler les caractéristiques d’émission des GRBs à haut décalage vers le rouge dans le domaine des rayons X mous et à explorer leur relation avec l’émission gamma, fournissant ainsi de nouveaux indices pour comprendre les processus physiques de l’univers primitif.

Source de l’article

Cette étude a été réalisée conjointement par plusieurs équipes de recherche de l’Académie chinoise des sciences, avec comme principaux auteurs Gao He, Zhang Chuang, Chen Yizhong et Wu Xuefeng, entre autres. L’article a été publié en ligne le 21 novembre 2024 dans la revue Nature Astronomy, sous le titre “Soft X-ray prompt emission from the high-redshift gamma-ray burst EP240315A”.

Méthodologie et résultats

1. Observations et acquisition des données

L’équipe de recherche a utilisé le WXT à bord du satellite Einstein Probe pour observer EP240315A dans la bande des 0,5 à 4 keV. Ce GRB a été déclenché le 15 mars 2024 à 20:10:44 (UTC), et son pic lumineux a ensuite été détecté par le Burst Alert Telescope (BAT) du satellite Swift et l’instrument Konus-Wind via des analyses hors ligne. Une contrepartie optique a été découverte par l’Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS) environ 1,1 heure après la détection des rayons X, et son décalage vers le rouge a été confirmé à z = 4,859 par des observations spectroscopiques du Very Large Telescope (VLT), confirmant ainsi son origine cosmologique.

2. Comparaison entre l’émission de rayons X mous et gamma

La courbe de lumière du WXT montre que la durée d’EP240315A dans la bande des rayons X mous est de 1 034 ± 81 secondes, ce qui est significativement plus long que sa durée dans la bande gamma (environ 38 à 41 secondes). De plus, le WXT a détecté l’émission de rayons X mous 372 secondes avant la détection des rayons gamma, un délai bien plus long que celui observé pour les GRBs détectés par BeppoSAX et HETE-2 (généralement de quelques dizaines de secondes). L’équipe de recherche a ajusté le spectre complet de l’émission prompte du WXT, trouvant qu’il correspond à un modèle de loi de puissance absorbée, avec un indice photonique de α = −1,4.

3. Analyse spectrale multi-bandes

L’équipe de recherche a ajusté le spectre combiné du WXT, du BAT et de Konus-Wind pendant la période de pic (de t0 + 372 s à t0 + 416 s), constatant que le spectre large bande (0,5–1 618 keV) peut être bien décrit par un modèle de loi de puissance coupée (Cutoff Power-Law, CPL), avec un indice photonique de −0,97 et une énergie de pic de 283 keV. Ce résultat indique que l’émission de rayons X d’EP240315A a une origine commune avec l’émission gamma, provenant toutes deux des processus de dissipation interne du moteur central.

4. Observations tardives de rayons X et phénomène de rebrightening

Après l’émission prompte, des signaux faibles de rayons X ont été détectés par le WXT entre 5,7 ks et 7,6 ks, ainsi qu’entre 10,2 ks et 13,4 ks. Ces observations tardives de rayons X montrent une décroissance en loi de puissance simple, avec une pente de −2. Par ailleurs, le télescope de suivi en rayons X (Follow-up X-ray Telescope, FXT) d’EP a commencé ses observations 42 heures plus tard et a effectué dix observations sur une période d’environ huit jours, dont les neuf premières ont détecté des signaux faibles de rayons X. L’observatoire Chandra X-ray a également effectué deux observations à 72 heures et 10,4 jours, la première détection d’une source de rayons X étant comparable à celle du FXT à la même époque, tandis que la deuxième observation n’a détecté aucun signal significatif.

5. Ajustement multi-bandes de la rémanence

L’équipe de recherche a ajusté les données multi-bandes de la rémanence d’EP240315A, constatant que le modèle standard de rémanence des GRBs peut bien expliquer les données observées dans les domaines optique, infrarouge et radio. Cependant, les observations tardives du WXT après l’émission prompte s’écartent significativement des prédictions du modèle de rémanence, suggérant que ces émissions proviennent plus probablement d’activités tardives du moteur central ou d’un choc inverse de longue durée.

Conclusions et implications

Cette étude révèle pour la première fois en détail les caractéristiques d’émission de rayons X mous du GRB à haut décalage vers le rouge EP240315A, et montre que sa durée dans la bande des rayons X mous est significativement plus longue que dans la bande gamma. Cette découverte remet en question les échelles de temps traditionnelles des activités du moteur central basées sur les observations gamma, suggérant que la bande des rayons X mous pourrait être plus sensible pour détecter les émissions faibles et molles du moteur central. De plus, l’équipe de recherche a observé un phénomène de rebrightening tardif dans les rayons X, qui pourrait résulter d’une réactivation du moteur central ou d’une observation hors axe d’une structure de jet complexe.

Cette étude fournit non seulement de nouveaux indices pour comprendre les mécanismes physiques des GRBs à haut décalage vers le rouge, mais démontre également le potentiel considérable du satellite Einstein Probe pour détecter ces GRBs. Grâce à son grand champ de vision et à sa haute sensibilité, EP pourrait découvrir davantage de GRBs à haut décalage vers le rouge dans de futures observations, offrant ainsi des données cruciales pour étudier l’histoire de la formation des étoiles et de la réionisation dans l’univers primitif.

Points forts de l’étude

1. Première révélation détaillée des caractéristiques d’émission de rayons X mous d’un GRB à haut décalage vers le rouge : L’équipe de recherche a utilisé pour la première fois le WXT du satellite Einstein Probe pour observer en détail l’émission de rayons X mous du GRB à haut décalage vers le rouge EP240315A, constatant que sa durée dans la bande des rayons X mous est significativement plus longue que dans la bande gamma.
2. Analyse spectrale multi-bandes : L’équipe de recherche a ajusté le spectre combiné du WXT, du BAT et de Konus-Wind, révélant l’origine commune de l’émission de rayons X et gamma d’EP240315A.
3. Découverte d’un phénomène de rebrightening tardif dans les rayons X : L’équipe de recherche a observé un rebrightening tardif dans les rayons X après l’émission prompte, qui pourrait résulter d’une réactivation du moteur central ou d’une observation hors axe d’une structure de jet complexe.

Autres informations pertinentes

L’équipe de recherche a également exploré la capacité de détection d’EP240315A à des décalages vers le rouge plus élevés (z = 7,5), constatant que des événements similaires pourraient être détectés à l’avenir par le WXT d’EP avec un rapport signal sur bruit (SNR) élevé (SNR ≥ 7). Cela suggère qu’avec de nouvelles observations d’EP, davantage de GRBs à haut décalage vers le rouge pourraient être découverts, fournissant ainsi plus de données pour étudier les processus physiques de l’univers primitif.