AT 2020afjz (TSS2020a): The First Fast Extragalactic Transient Discovered by TESS

L'univers est rempli d'explosions cosmiques qui se produisent en un clin d'œil, pourtant, pendant des décennies, nos télescopes ont été trop lents pour les capturer en plein acte. Si les astronomes étudient depuis longtemps les supernovas et autres morts stellaires qui se déploient sur des jours ou des semaines, les événements les plus rapides — ceux qui brillent et s'estompent en quelques heures seulement — sont restés largement invisibles. Ces moments fugaces sont alimentés par une physique extrême, impliquant souvent des jets de matière se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, mais sans un télescope capable de surveiller le ciel en continu et de prendre des photos très rapidement, ces événements passent inaperçus. Le défi a été de trouver un moyen de repérer ces éclats d'une heure avant qu'ils ne disparaissent, une tâche qui nécessite une combinaison unique de large vision et d'attention rapide.

Une équipe d'astronomes a maintenant capturé l'un de ces événements insaisissables, marquant un changement significatif dans notre façon d'observer le cosmos. En utilisant les données du satellite Transiting Exoplanet Survey Satellite, connu sous le nom de TESS, des chercheurs ont découvert un éclat de lumière brillant dans une galaxie lointaine qui est apparu, a atteint son maximum et s'est totalement éteint en une seule nuit. Cet événement, désigné sous le nom de AT 2020afjz, est la première fois qu'une explosion extragalactique aussi rapide est découverte sans avertissement préalable d'un détecteur de rayons gamma. Au lieu d'attendre qu'un satellite déclenche une alerte, l'équipe a utilisé un nouveau pipeline logiciel pour passer au crible les données de TESS et trouver l'éclat par ses propres moyens. Le résultat est un enregistrement détaillé d'une explosion qui n'a duré qu'environ deux heures et demie à son apogée, offrant un regard rare et en haute définition sur la naissance et la mort d'un jet relativiste.

La découverte a débuté en novembre 2020, lorsque le satellite TESS scannait une portion du ciel dans l'hémisphère sud. TESS est conçu pour chercher des planètes en observant les étoiles pour détecter de minuscules baisses de luminosité, mais ses caméras sont également capables de capturer des augmentations soudaines de luminosité. Les chercheurs ont développé un système pour traiter les images à plein cadre du satellite, cherchant tout ce qui changeait rapidement. Ils ont trouvé une source qui a atteint son pic de luminosité en environ une heure puis s'est estompée, restant visible pendant environ dix heures avant de disparaître dans le fond de ciel. La courbe de lumière, qui suit la luminosité au fil du temps, a montré une montée lente et un déclin rapide, un profil qui diffère du comportement typique de la plupart des explosions cosmiques connues.

Pour comprendre la cause de cet éclat, l'équipe a d'abord dû localiser son foyer. En comparant la position de l'éclat avec des images profondes d'autres télescopes, ils ont localisé son origine dans une galaxie lointaine et faible. Cette galaxie fait partie d'une paire de galaxies en interaction, ce qui signifie que les deux sont assez proches pour s'attirer mutuellement par leur gravité. L'éclat s'est produit près de l'une de ces galaxies, qui semble être un petit système de formation stellaire. La distance de cette galaxie est immense ; la lumière que nous voyons est partie lorsqu' l'univers était beaucoup plus jeune, correspondant approximativement à un décalage vers le rouge (redshift) de 0,67. Le fait que l'événement se soit produit dans une galaxie où les étoiles sont encore en train de naître soutient l'idée qu'il a été causé par la mort d'une étoile massive, un scénario qui mène souvent à de puissants jets d'énergie.

La nature de l'explosion elle-même reste un puzzle avec deux solutions possibles, toutes deux correspondant parfaitement aux données. Les chercheurs ont modélisé la courbe de lumière en utilisant la physique qui décrit comment les jets de matière interagissent avec l'espace qui les entoure. Ils ont découvert que l'événement pouvait s'expliquer de deux manières. La première possibilité est que l'explosion était un « afterglow orphelin » (rémanence orpheline), ce qui signifie que le jet a été projeté dans une direction qui ne pointait pas directement vers la Terre. Dans ce scénario, nous voyons le côté du jet plutôt que son cœur, ce qui expliquerait pourquoi la lumière a augmenté lentement et pourquoi aucun sursaut gamma n'a été détecté. La seconde possibilité est que le jet pointait vers nous, mais qu'il était « sale », signifiant qu'il était encombré de trop de matière pour produire un éclat brillant de rayons gamma. Dans ce cas, l'explosion serait un « fireball sale » (boule de feu sale), où l'énergie est libérée lentement sous la forme d'un éclat optique brillant sans la signature habituelle de haute énergie.

Une pièce critique du puzzle manque : l'équipe ne peut confirmer si des rayons gamma ont réellement été émis. Le satellite conçu pour détecter ces sursauts de haute énergie, Fermi-GBM, était bloqué par la Terre au moment exact où l'explosion s'est produite. En raison de cette lacune de couverture, les chercheurs ne peuvent pas affirmer de manière définitive si l'événement était un sursaut gamma qui a été caché de vue, ou un sursaut gamma qui n'a jamais eu lieu. Cette incertitude signifie qu'ils ne peuvent pas choisir entre les explications de l'« orphelin » et du « fireball sale ». Cependant, les deux scénarios mènent à la même conclusion : l'événement a été piloté par un moteur relativiste, probablement l'effondrement d'une étoile massive, mais il s'est comporté différemment des explosions typiques auxquelles nous sommes habitués.

La portée de cette découverte s'étend au-delà de l'événement spécifique. Elle prouve que TESS, un télescope principalement construit pour trouver des planètes, peut également servir d'outil puissant pour trouver des explosions rapides et rares dans l'univers. En utilisant le nouveau pipeline logiciel pour analyser les données du satellite, l'équipe a démontré que nous pouvons désormais détecter ces transitoires d'une heure sans avoir besoin d'un déclencheur de rayons gamma. Cela ouvre la voie à la découverte d'une toute nouvelle population d'événements cosmiques qui se sont cachés à la vue de tous. Bien que l'équipe ne puisse pas encore dire exactement combien de ces événements existent, la découverte de AT 2020afjz suggère qu'ils sont là, attendant d'être trouvés. Alors que le logiciel continue de scanner davantage de données de TESS, les astronomes s'attendent à découvrir plus de ces moments fugaces, offrant une image plus claire de la physique la plus extrême de l'univers.

L'étude souligne également l'importance du timing et de la précision. L'éclat a duré seulement 2,4 heures au-dessus de la moitié de sa luminosité maximale, une fenêtre si courte qu'elle aurait été manquée par des télescopes prenant des images une seule fois par jour. La capacité de résoudre la montée et la chute de l'événement avec un tel détail a permis aux chercheurs de modéliser la physique de l'explosion avec un haut degré de confiance. Ils ont déterminé que l'explosion s'est produite dans un environnement dense, probablement un nuage de gaz et de poussière, ce qui a influencé la façon dont la lumière nous est parvenue. Cette densité suggère que l'explosion a eu lieu dans une région où les étoiles se forment activement, ce qui est cohérent avec l'emplacement de la galaxie hôte.

Malgré l'absence de données sur les rayons gamma, l'événement constitue un point de référence pour comprendre ces transitoires rapides. Il montre que tous les explosions relativistes ne se ressemblent pas, et que certaines peuvent être détectées uniquement par leur lumière optique. Les chercheurs prévoient d'appliquer leurs méthodes aux données futures de TESS, en espérant trouver plus d'exemples et, finalement, reconstituer l'histoire complète de ces événements calmes en rayons gamma. Pour l'instant, AT 2020afjz témoigne de la puissance de l'observation persistante et de la valeur d'observer le ciel avec un regard neuf, révélant un coin caché de l'univers qui était auparavant hors de portée.