UN SURSAUT GAMMA DE 1991 VIBRE COMME UNE MAGNÉTAR

Le 11 juillet 1991, l’instrument BATSE, à bord du Compton Gamma Ray Observatory, enregistre un éclair de rayons gamma. GRB 910711 (GRB pour gamma-ray burst, sursaut gamma ; les chiffres donnent la date) est alors présenté comme le plus court sursaut vu par la mission : un pic brillant d’environ 10 millisecondes, puis une faible traîne de 100 à 200 millisecondes. En 2023, une analyse de 724 sursauts courts en fait le meilleur candidat aux oscillations kilohertz — une brillance qui monte et descend des milliers de fois par seconde —, lues comme les mouvements d’une étoile à neutrons « hypermassive », trop lourde pour rester stable longtemps, née d’une fusion.

Deux suspects pour un éclair bref

Les sursauts gamma courts ont deux sources possibles : la fusion d’étoiles compactes, ou l’éruption géante d’une magnétar, une étoile à neutrons au champ magnétique ultra-intense. Certaines éruptions géantes venues d’autres galaxies ressemblent aux sursauts de fusion par leur durée et par l’énergie de leur lumière ; sans position précise dans le ciel, on peine à les distinguer. La position de GRB 910711 est incertaine d’environ 6 degrés.

Run-Chao Chen et Bin-Bin Zhang (université de Nankin), Ore Gottlieb (Massachusetts Institute of Technology) et cinq collègues sont partis d’une tension dans la lecture « fusion ».

Une lumière trop dure pour porter un battement

Le spectre de GRB 910711 est décrit à peu près aussi bien par un corps noir — la lueur d’un corps chaud et opaque — que par la forme habituellement ajustée aux sursauts de fusion. Avec cette seconde forme, il apparaît anormalement « dur » — penché vers les photons de haute énergie —, à l’extrême des sursauts mesurés par BATSE, et plus dur que ce que peut émettre un gaz transparent.

L’explication naturelle serait une lumière issue d’une photosphère, la couche où un nuage opaque laisse enfin partir sa lumière. Mais la lumière en sort alors loin du moteur central, après de nombreuses diffusions. Un battement kilohertz imposé par une étoile à neutrons au centre aurait besoin d’un mécanisme supplémentaire pour survivre au trajet, ou pour être recréé en chemin.

Le jumeau pâle d’une éruption connue

Le point de comparaison est GRB 200415A, enregistré le 15 avril 2020 : une éruption géante de magnétar venue de la galaxie proche NGC 253, à 3,5 mégaparsecs — le mégaparsec étant l’unité des astronomes pour les distances entre galaxies.

Alignées sur leur pic, les deux courbes de lumière se ressemblent : même pic de 10 millisecondes, même traîne plus faible, des détails aussi brefs qu’environ 90 microsecondes — des millionièmes de seconde — en 1991, et 65 en 2020. Un modèle de l’éruption de 2020, simplement rendu plus faible comme si elle avait eu lieu plus loin, reproduit la forme du sursaut de 1991. Une illustration, insistent les auteurs, pas une mesure de distance.

Des harmoniques d’environ 360 hertz

En décomposant le scintillement du pic en rythmes, l’équipe voit ressortir une bosse à 360 hertz — 360 fois par seconde — dans le sursaut de 1991, et à 350 hertz dans celui de 2020. Sur 10 millisecondes, deux fréquences à moins d’environ 100 hertz l’une de l’autre ne se séparent pas : les deux bosses sont indiscernables.

Des cartes du rythme en fonction du temps montrent des pics qui s’allument à des multiples entiers de 360 hertz, comme les harmoniques d’une même note : 1, 3, 5, 6 et 11 fois 360 dans GRB 910711 ; 2, 4, 6 et 12 fois dans GRB 200415A. Les deux partagent le sixième, vers 2 160 hertz, proche d’une oscillation déjà signalée dans l’éruption de 2020.

Le bispectre vérifie si des oscillations sont couplées : des oscillations couplées créent de la puissance à la somme de leurs fréquences. Dans l’éruption de 2020, la composante à 4 320 hertz correspond à deux composantes couplées à 2 160 hertz, elles-mêmes issues du couplage de 720 et 1 440 hertz.

100 000 faux sursauts

Pour tester le hasard, l’équipe a fabriqué pour chaque sursaut 100 000 fausses courbes de lumière, avec la même forme de pic et le même bruit de comptage des photons, mais sans oscillation. La bosse à 360 hertz y apparaît au moins aussi forte dans environ 5 % des cas pour GRB 910711, et 0,1 % pour GRB 200415A. Quand les faux sursauts portent aussi les oscillations kilohertz déjà signalées et un bruit de fond plus réaliste, ces chiffres montent à 15,5 % et 33,4 % : seule, la bosse basse devient moins inattendue.

Les harmoniques, eux, n’ont été testés que face aux faux sursauts sans oscillation, et y résistent. Un petit écart sur la fréquence de base est multiplié à chaque harmonique : la structure la teste donc plus finement que la bosse seule. En balayant de 260 à 460 hertz, les deux sursauts préfèrent environ 360 hertz ; les faux sursauts, non. Face aux faux sursauts sans oscillation, la force combinée des couplages n’est atteinte que 1,3 fois sur 10 000 pour GRB 910711, et 4,5 fois pour GRB 200415A.

Dix-sept galaxies candidates

À n’importe quelle distance, GRB 910711 serait trop faible pour l’énergie de sa lumière, comparé aux sursauts de fusion connus. Lu comme une éruption géante, il est cohérent s’il se trouve à moins d’environ 55 mégaparsecs, quelque 16 fois plus loin que NGC 253. Dans ce rayon et sur sa portion de ciel, l’équipe recense 17 galaxies, la plus proche à environ 9,1 mégaparsecs, toutes classées plutôt comme formant des étoiles, le milieu où l’on attend de jeunes magnétars. Si cette lecture tient, BATSE a capté en 1991 sa première éruption géante venue d’une autre galaxie.

Ce qui pourrait vibrer à 360 hertz

Dans les éruptions géantes de notre Galaxie, des oscillations rapides sont apparues dans les traînes déclinantes, pas dans le pic ; l’une, vers 625 hertz, a été attribuée à une vibration de la croûte de l’étoile. Sous certaines hypothèses, elle pourrait tomber près de 360 hertz, mais elle dépend de l’intérieur et du champ magnétique de chaque étoile : que deux magnétars la partagent serait une coïncidence. Plus spéculative, une vibration à la frontière où la matière nucléaire devient matière de quarks, où les neutrons se dissolvent en leurs constituants, au cœur de l’étoile : sa fréquence, entre 100 et 1 000 hertz, dépend surtout de la physique nucléaire, peu de la masse de l’étoile. Comment une telle vibration marquerait la lumière du pic reste incertain.

Un battement entendu dans les seuls rayons gamma

Ces résultats « n’établissent pas de façon unique » une origine magnétar, écrivent les auteurs, mais en font « l’interprétation la plus économique » : une fusion doit expliquer à la fois le spectre dur, un battement qui traverse la photosphère, la ressemblance avec l’éruption de 2020 et les harmoniques partagés. Si de tels harmoniques apparaissent dans de futurs sursauts courts, les seuls rayons gamma pourraient aider à distinguer éruptions et fusions, à temps pour planifier les observations de suivi. GRB 910711, lui, garde une portion de ciel de 6 degrés, 17 galaxies candidates et un battement proche de 360 hertz.