Le 9 octobre 2022, les détecteurs terrestres ont enregistré un sursaut gamma d'une puissance inédite. GRB 221009A était si brillant que son rayonnement a ionisé les couches supérieures de l'ionosphère, et les instruments satellitaires ont été temporairement aveuglés. Dans le spectre de cette explosion, les astronomes ont pour la première fois identifié de manière fiable une série de raies d'émission dont l'énergie variait dans le temps selon une loi de puissance. La raie se comportait comme un voyageur perdant de l'énergie dans une foule d'électrons.

Le modèle proposé par les auteurs décrit ce parcours. La raie naît dans la sous-photosphère du jet (la région interne, opaque au rayonnement) lors de l'annihilation de paires électron-positon, c'est-à-dire la transformation d'une particule et de son antiparticule en rayonnement. L'énergie initiale des photons est de 511 keV. Ils traversent ensuite un plasma dense avec une température électronique d'environ 2 keV et une densité de 2×$10^9$ cm⁻³. À chaque diffusion sur un électron, le photon cède une partie de son énergie : ce processus est appelé diffusion Compton inverse, c'est-à-dire le refroidissement des photons. En conséquence, l'énergie de la raie chute de 37 à 6 MeV.

Les calculs ont reproduit l'évolution observée de la raie : l'énergie centrale décroît selon une loi de puissance avec un exposant de -1.11, la largeur de la raie reste d'environ 10 % de l'énergie, et le flux décroît avec un exposant de -1.94. Ces valeurs sont en accord avec les données dans les limites des erreurs. Le résultat clé est la contrainte sur les paramètres du plasma dans le jet : une densité électronique de 2×$10^9$ cm⁻³ et une température de 2 keV. Cela indique l'existence d'un plasma thermique dense dans le jet relativiste, ce qui n'avait pas été confirmé auparavant par les observations.

Ce travail est le premier à combiner le processus de diffusion Compton inverse avec la dynamique du jet pour expliquer l'évolution de la raie d'émission. Auparavant, on ne comprenait pas pourquoi la raie évoluait selon une loi de puissance ni quel mécanisme était responsable de ses propriétés. Désormais, il est clair que la raie naît de l'annihilation des paires, puis se refroidit par diffusion Compton inverse dans le plasma dense du jet. Cette méthode peut être appliquée pour diagnostiquer le plasma dans d'autres sursauts gamma et jets astrophysiques. La raie devient un outil permettant de scruter l'intérieur de l'éjection relativiste et d'en mesurer la densité et la température. Le voyageur, en se frayant un chemin à travers la foule, raconte comment cette foule est organisée.