Après la fusion d'étoiles à neutrons GW170817, un sursaut gamma faible a été détecté, environ six ordres de grandeur plus faible que les sursauts courts habituels. L'interférométrie a montré que le jet était relativiste et dirigé selon un angle d'environ 20 degrés par rapport à la ligne de visée. Cependant, la géométrie seule ne donne pas la structure angulaire du flux : comment l'énergie et le facteur de Lorentz dépendent de l'angle polaire. C'est la structure qui transforme la luminosité observée en énergie libérée réelle, détermine la fraction de sursauts que nous voyons réellement, et porte l'empreinte du mécanisme de collimation. Habituellement, on l'extrait d'un ajustement prolongé de la rémanence, ce qui nécessite de connaître la densité du milieu environnant et des paramètres microphysiques qui ne sont pas connus indépendamment. Ce travail se situe en marge : à proximité se trouvent des études sur le rayonnement gamma, les rayons cosmiques et les jets, mais il n'y a presque pas de voisins directs qui résolvent le même problème en utilisant uniquement le rayonnement prompt.
Les auteurs ont supposé que GRB 090510 et GW170817 représentent le même type de système astrophysique, observé respectivement le long de l'axe et sous un angle de 20 degrés. Cette hypothèse est étayée par des données indépendantes sur les ondes gravitationnelles : les masses des systèmes binaires et les énergies émises sont compatibles. L'étape clé est l'abandon de la mise à l'échelle Doppler ponctuelle. Pour un observateur dont le cône d'émission est rempli de matière, l'énergie équivalente isotrope est simplement 4π multiplié par l'énergie émise par unité d'angle solide le long de la ligne de visée, et l'énergie de pic est proportionnelle au facteur de Lorentz local. Cela permet d'exprimer le rapport des énergies des deux sursauts en fonction du rapport de leurs énergies de pic à la puissance n, où n est la pente logarithmique de la dépendance de l'énergie en fonction du facteur de Lorentz. Aucun paramètre libre ni hypothèse sur l'angle n'est requis. Pour convertir la pente en profil angulaire, deux ancres issues de la littérature ont été utilisées : le facteur de Lorentz du cœur de GRB 090510 (≥1200) et l'angle d'observation de GW170817 (19–25 degrés).
À partir du rapport des énergies (7.45±1.41)×10^5 et des énergies de pic 36.4±9.8, on obtient un exposant n = 3.76±0.29, ce qui signifie que l'énergie émise par unité d'angle solide est proportionnelle à Γ^3.76. Cela exclut quatre structures courantes à des niveaux allant de 4.7σ à 13σ : un flux uniforme sans structure énergétique (n=0), une structure uniquement par charge baryonique (n=1), un jet structuré minimal (n=2) et un cône uniforme vu par le bord (n=2.4). Avec l'ancre angulaire, on obtient un profil : en dehors du cœur avec un demi-angle de 2–5 degrés, l'énergie décroît comme θ^−7.4, et sur la ligne de visée, le facteur de Lorentz est de 33. Le même profil fixe le rayon d'émission Rγ = 2.7×10^13 cm, ce qui donne une contribution de 0.41 s au délai de 1.74 s entre les ondes gravitationnelles et le rayonnement gamma ; le reste est dû au déclenchement et à la percée du jet. La comparaison avec l'énergie cinétique de la rémanence donne une efficacité radiative proportionnelle au facteur de Lorentz local : η ∝ Γ^0.99±0.29.
Ce travail montre que la structure angulaire d'un sursaut gamma court peut être extraite de deux spectres prompts, sans rémanence, sans densité du milieu environnant ni paramètres microphysiques. Cela diffère des études voisines qui s'appuient sur un ajustement de la rémanence sur plusieurs mois ou sur des simulations numériques. Ici, pour la première fois, la structure est obtenue uniquement à partir du rayonnement prompt, avec l'exclusion de quatre modèles populaires à un niveau de significativité élevé. La faiblesse de GW170817 s'explique non pas par un dé-boostage d'un cœur brillant, mais par la structure interne du jet : sur la ligne de visée, la matière émet simplement moins d'énergie.
Deux sursauts ne fournissent que la pente, pas la forme du profil. Un troisième sursaut avec un facteur de Lorentz mesuré indépendamment transformerait la pente en forme et constituerait le premier test capable de réfuter l'hypothèse initiale de similarité des systèmes. On pourrait également rechercher d'autres paires de sursauts observés sous des angles différents afin d'affiner l'exposant n et de vérifier son universalité. L'étude de la dépendance angulaire de l'efficacité, actuellement déterminée uniquement par les valeurs centrales, présente un intérêt particulier.
Le résultat affecte directement l'interprétation des sursauts gamma courts et leur lien avec les fusions d'étoiles à neutrons. Il fournit également une nouvelle méthode d'étalonnage des distances et des énergies pour les événements d'ondes gravitationnelles avec contreparties électromagnétiques.
Trouver un troisième sursaut avec un facteur de Lorentz connu et appliquer la même analyse pour tester l'hypothèse. Comparer systématiquement les structures obtenues à partir du rayonnement prompt et de la rémanence pour un grand échantillon de sursauts courts.
En astrophysique des sursauts gamma, la question du mécanisme de collimation du jet et de la distribution angulaire de l'énergie reste ouverte. Ce travail relie ce problème à la diversité observée des luminosités des sursauts courts et au délai entre les ondes gravitationnelles et le rayonnement gamma. Il aborde également le débat de longue date sur la question de savoir si la faiblesse de GW170817 est due à la géométrie ou à la structure interne, et propose un moyen de distinguer ces scénarios sans hypothèses de modèle sur la rémanence.
Le délai entre les ondes gravitationnelles et le rayonnement gamma de GW170817 était de 1.74 secondes. Sur ce total, 0.41 seconde s'explique par la dispersion angulaire du rayonnement, et le reste par le temps qu'il a fallu au jet pour percer l'enveloppe de matière éjectée lors de la fusion.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, un signal venu de l'espace se présente sous la forme d'une séquence d'impulsions que les héros déchiffrent comme une structure. Ici, la structure du jet est également reconstruite à partir de deux impulsions, mais au lieu d'un message extraterrestre, ce sont deux sursauts gamma naturels vus sous des angles différents.