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La première preuve de l’existence de « régions englouties » autour des trous noirs dans l’espace

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La première preuve de l’existence de « régions englouties » autour des trous noirs dans l’espace

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Le trou noir attire la matière de l’étoile compagnon vers lui, formant un disque qui tourne autour du trou noir avant de tomber dedans. Crédit image : NASA/CXC/EM. Weiss.

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Le trou noir attire la matière de l’étoile compagnon vers lui, formant un disque qui tourne autour du trou noir avant de tomber dedans. Crédit image : NASA/CXC/EM. Weiss.

Une équipe internationale dirigée par des chercheurs en physique de l’Université d’Oxford a prouvé qu’Einstein avait raison sur une prédiction clé concernant les trous noirs. En utilisant des données de rayons X pour tester la théorie de la gravité d’Einstein, leur étude a fourni la première preuve observationnelle de l’existence d’une « zone de plongée » autour des trous noirs : une région où la matière cesse de tourner autour du trou et tombe directement dedans. En outre, l’équipe a découvert que cette région exerce certaines des forces gravitationnelles les plus puissantes jamais identifiées dans la galaxie. Les résultats ont été publiés dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Les nouvelles découvertes font partie d’une vaste enquête sur les mystères exceptionnels autour des trous noirs menée par des astrophysiciens de la physique de l’Université d’Oxford. Cette étude s’est concentrée sur des trous noirs plus petits relativement proches de la Terre, en utilisant des données de rayons X collectées à partir des télescopes Nuclear Spectroscopique Space Telescope Array (NuSTAR) et Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER). Plus tard cette année, la deuxième équipe d’Oxford espère se rapprocher de l’enregistrement des premières vidéos de trous noirs plus grands et plus éloignés dans le cadre d’une initiative européenne.

Contrairement à la théorie de la gravité de Newton, la théorie d’Einstein affirme qu’il est impossible pour les particules de suivre des orbites circulaires en toute sécurité à proximité d’un trou noir. Au lieu de cela, ils se « précipitent » rapidement vers le trou noir à une vitesse proche de celle de la lumière. L’étude d’Oxford a évalué cette région en profondeur pour la première fois, en utilisant des données de rayons X pour mieux comprendre la force générée par les trous noirs.

Le Dr Andrew Mummery a déclaré : « Il s’agit du premier aperçu de la façon dont le plasma, décollé du bord extérieur de l’étoile, subit sa chute finale au centre du trou noir, un processus qui se produit dans un système d’environ dix mille années-lumière. loin. » , professeur de physique à l’Université d’Oxford, qui a dirigé l’étude. « Ce qui est vraiment excitant, c’est qu’il existe de nombreux trous noirs dans la galaxie et que nous disposons désormais d’une nouvelle technique puissante à utiliser pour étudier les champs gravitationnels les plus puissants connus. »

« La théorie d’Einstein avait prédit cette baisse récente, mais c’est la première fois que nous sommes en mesure de prouver que cela s’est produit », a poursuivi le Dr Mummery. « Pensez-y comme à une rivière qui se transforme en cascade. Jusqu’à présent, nous regardions la rivière. C’est notre première vue d’une cascade. »

« Nous pensons que cela représente un nouveau développement passionnant dans l’étude des trous noirs, nous permettant d’étudier cette dernière région qui les entoure. Ce n’est qu’alors que nous pourrons pleinement comprendre la force de gravité », a ajouté Mummery. « Cette dernière goutte de plasma se produit au bord du trou noir et montre la réponse de la matière à la gravité la plus forte possible. »

Les astrophysiciens tentent depuis un certain temps de comprendre ce qui se passe près de la surface d’un trou noir, et ils le font en étudiant les disques de matière en orbite autour d’eux. Il existe une dernière région de l’espace-temps, connue sous le nom de région de naufrage, où la descente finale dans le trou noir est impossible à arrêter et où le fluide environnant est effectivement condamné.

Le débat parmi les astrophysiciens dure depuis de nombreuses décennies sur la possibilité de découvrir ce qu’on appelle la zone engloutie. L’équipe d’Oxford a passé les deux dernières années à en développer des modèles et, dans l’étude qui vient de paraître, elle démontre la première détection confirmée réalisée à l’aide de télescopes à rayons X et de données de la Station spatiale internationale.

Alors que cette étude se concentre sur les petits trous noirs plus proches de la Terre, une deuxième équipe d’étude de l’Université de physique d’Oxford fait partie d’une initiative européenne visant à construire un nouveau télescope, le Télescope millimétrique africain, qui améliorerait considérablement notre capacité à prendre des images directes de trous noirs. des trous. . Plus de 10 millions d’euros de financement ont déjà été obtenus, dont une partie servira à soutenir plusieurs premières thèses de doctorat en astrophysique à l’Université de Namibie, en étroite collaboration avec l’équipe de physique d’Oxford.

On s’attend à ce que le nouveau télescope permette pour la première fois d’observer et de photographier de grands trous noirs au centre de notre galaxie, ainsi qu’au-delà. Comme pour les petits trous noirs, les grands trous noirs devraient avoir ce qu’on appelle un « horizon des événements », attirant la matière de l’espace vers leur centre en spirale pendant que le trou noir tourne. Celles-ci représentent des sources d’énergie presque inimaginables, et l’équipe espère les observer et les photographier en orbite pour la première fois.

L’étude « Persistent Emission from Within the Sinking Region of Black Hole Disks » a été publiée dans les Avis mensuels de la Société Astronomique.

Plus d’information:
Andrew Mummery et al., Émission continue depuis la région descendante des disques de trous noirs, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (2024). est ce que je: 10.1093/mnras/stae1160

Informations sur les magazines :
Avis mensuels de la Royal Astronomical Society


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Les collisions d’étoiles à neutrons repoussent les limites de la physique extrême

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Les collisions d’étoiles à neutrons repoussent les limites de la physique extrême

Lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision, elles créent l’un des événements les plus passionnants et les plus complexes de l’univers. Les étoiles à neutrons, vestiges d’étoiles effondrées, sont incroyablement denses et petites.

Lorsque deux de ces étoiles sont proches l’une de l’autre, elles se rapprochent et finissent par entrer en collision. Cette collision génère une chaleur intense et de merveilleux phénomènes physiques.

Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ?

Une étoile à neutrons est le reste compact d’une étoile massive ayant subi une explosion de supernova.

Lorsqu’une étoile pesant entre 8 et 20 fois la masse de notre Soleil épuise son combustible nucléaire, elle s’effondre sous sa propre gravité. Le noyau est tellement comprimé que les protons et les électrons se combinent pour former des neutrons, créant ainsi une étoile à neutrons.

Ces étoiles ne mesurent qu’environ 20 kilomètres (12 miles) de diamètre, mais leur masse est environ deux fois celle du Soleil. Pour mettre sa densité en perspective, une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pourrait peser environ un milliard de tonnes sur Terre.

Les étoiles à neutrons ont des champs magnétiques extrêmement puissants et peuvent tourner rapidement, émettant des faisceaux de rayonnement qui peuvent être détectés comme des pulsars.

Malgré leur petite taille, les étoiles à neutrons constituent un laboratoire unique pour étudier le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, contribuant ainsi à notre compréhension de la physique fondamentale.

La physique cachée des fusions d’étoiles à neutrons

Des simulations récentes menées par des physiciens de Université d’État de Pennsylvanie Fournit de nouvelles informations sur les collisions d’étoiles à neutrons. Les simulations ont révélé que les neutrinos chauds, qui sont de petites particules presque sans masse, peuvent être brièvement piégés à l’interface où les étoiles fusionnent.

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Cela ne dure que 2 à 3 millisecondes, pendant lesquelles les neutrinos interagissent avec la matière stellaire, contribuant ainsi à ramener les particules vers l’équilibre.

« Pour la première fois en 2017, nous avons observé des signaux, notamment des ondes gravitationnelles, provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons binaires », a déclaré Pedro Luis Espino, chercheur postdoctoral à Penn State et à l’UC Berkeley, qui a dirigé la recherche.

« Cette découverte a suscité un grand intérêt pour l’astrophysique des étoiles à neutrons binaires. Comme nous ne pouvons pas reproduire ces événements en laboratoire, les simulations basées sur la théorie de la relativité générale d’Einstein sont le meilleur outil pour les comprendre. »

La nature des étoiles à neutrons

On pense que les étoiles à neutrons sont presque entièrement constituées de neutrons. Leur étonnante densité, surpassée seulement par les trous noirs, résulte de la fusion de protons et d’électrons en neutrons.

Le professeur David Radice, chef de l’équipe de recherche, a expliqué : « Avant leur fusion, les étoiles à neutrons sont en réalité froides, même si leurs températures atteignent des milliards de degrés Kelvin. »

« Leur densité signifie que cette chaleur ajoute très peu à l’énergie du système. Cependant, lors de l’impact, la température de l’interface peut atteindre des milliards de degrés Kelvin. Les photons ne peuvent pas s’échapper de cet environnement dense pour dissiper la chaleur, de sorte que les étoiles se refroidissent en émettant des neutrinos. »

Réactions post-collision

Lors d’une collision, les neutrons des étoiles se décomposent en protons, électrons et neutrinos.

Les conséquences directes de ce processus sont restées longtemps un mystère en astrophysique. Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a créé des simulations détaillées qui modélisent la fusion et la physique qui en résulte.

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Ces simulations, qui nécessitent une puissance de calcul massive, ont montré que même les neutrinos peuvent être brièvement piégés par la chaleur et la densité de la collision.

En déséquilibre avec les noyaux d’étoiles plus froides, ces neutrinos chauds interagissent avec la matière stellaire.

« Ces événements extrêmes repoussent les limites de notre compréhension de la physique », a noté le professeur Radice. « La courte phase de non-équilibre de 2 à 3 millisecondes est celle où la physique la plus intéressante se produit. Une fois l’équilibre rétabli, la physique devient plus compréhensible. »

Implications pour le contrôle des fusions

Les interactions lors de la fusion peuvent affecter les signaux que nous détectons sur Terre à partir de ces événements.

« La façon dont les neutrinos interagissent avec la matière stellaire et sont émis affecte les oscillations du reste fusionné », a expliqué Espino.

« Cela affecte les signaux d’ondes électromagnétiques et gravitationnelles observés sur Terre. La prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles peut être conçue pour détecter ces différences de signaux. Ainsi, nos simulations améliorent non seulement notre compréhension, mais guident également les futures expériences et observations. »

Ces simulations révolutionnaires ouvrent de nouvelles fenêtres sur la physique des collisions d’étoiles à neutrons, nous aidant à comprendre l’un des phénomènes les plus extrêmes et les plus fascinants de l’univers.

L’étude est publiée dans la revue Lettres d’examen physique.

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Les moteurs Warp pourraient envoyer des ondes gravitationnelles à travers l’univers : ScienceAlert

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Les moteurs Warp pourraient envoyer des ondes gravitationnelles à travers l’univers : ScienceAlert

Les humains du futur utiliseront-ils des moteurs de distorsion pour explorer l’univers ? Nous ne sommes pas en mesure d’éliminer cette possibilité. Mais si nos lointains descendants le faisaient, cela ne l’inclurait pas Cristaux de dilithiumEt Dialectes écossais D’ici là, cela s’évaporera dans l’histoire.

Warp Drives trouve ses racines dans l’un des films de science-fiction les plus célèbres de tous les temps, mais il a une base scientifique. Un nouveau document de recherche examine la science derrière cela et se demande si le fait de ne pas contenir un moteur de distorsion émettrait des ondes gravitationnelles détectables.

Le document est intitulé «Ce que personne n’a vu auparavant : des formes d’ondes gravitationnelles générées par l’effondrement d’un moteur de distorsion.Les auteurs sont Katie Clough, Tim Dietrich et Sebastian Kahn, physiciens issus d’institutions du Royaume-Uni et d’Allemagne.

Il y a de la place pour les moteurs de torsion dans la relativité générale, et le physicien mexicain Miguel Alcubierre a décrit comment ils pourraient fonctionner théoriquement en 1994. Il est bien connu dans les cercles spatiaux et physiques pour ses recherches. Moteur Alcubierre.

Tout le monde sait qu’aucun objet ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Mais les moteurs à distorsion peuvent offrir une solution alternative. En déformant l’espace-temps lui-même, un vaisseau spatial à distorsion ne violerait pas la règle de la vitesse plus rapide que la lumière (FTL).

« Bien qu’ils soient issus de la science-fiction, les moteurs de distorsion ont une description concrète dans la relativité générale, où Alcubierre a été le premier à proposer une échelle spatio-temporelle qui prend en charge les voyages plus rapides que la lumière », expliquent les auteurs. Il écrit.

Il existe des obstacles scientifiques évidents à la création d’un moteur de distorsion. Mais il est possible de simuler comment cela fonctionnerait et comment cela serait détecté via les ondes gravitationnelles en cas de panne. Les moteurs de distorsion déforment l’espace-temps lui-même, tout comme les fusions binaires d’objets compacts comme les trous noirs et les étoiles à neutrons. Il est théoriquement possible qu’un signal d’onde gravitationnelle soit émis de la même manière que les fusions.

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« Pour rechercher de tels signaux et les identifier correctement dans les données mesurées, il est important de comprendre leurs phénomènes et leurs propriétés », expliquent les auteurs. Il explique.

Cela commence par comprendre le fonctionnement des moteurs de distorsion, c’est pourquoi nous devons nous plonger dans la physique.

« L’idée de base derrière un entraînement de torsion est qu’au lieu de dépasser directement la vitesse de la lumière dans un cadre de référence local, ce qui violerait l’invariance de Lorentz, une « bulle de torsion » peut parcourir des distances plus rapides que la vitesse de la lumière (telle que mesurée à certains endroits). grandes distances) » Observateur ) en contractant l’espace-temps devant lui et en élargissant l’espace-temps derrière lui. États.

Le premier inconvénient est que les lecteurs de distorsion nécessitent un état d’énergie nul (NEC). La physique stipule qu’une région de l’espace ne peut pas avoir une densité d’énergie négative. Il existe des solutions théoriques à ce problème, mais pour le moment, aucune d’entre elles n’est pratique.

« D’autres problèmes liés à l’échelle de distorsion incluent la possibilité de courbes temporelles fermées et, d’un point de vue plus pratique, les difficultés rencontrées par les personnes à bord du navire pour contrôler et désactiver la bulle », expliquent les auteurs. Il explique.

En effet, l’équipage n’aurait aucun moyen d’envoyer des signaux à la proue du navire. Il est difficile pour les événements à l’intérieur de la bulle d’affecter les événements à l’extérieur de la bulle de distorsion. Cet article explique.

« Du point de vue de la simulation dynamique d’un entraînement de distorsion, le principal défi est la stabilité », déclarent les auteurs. Il explique. Les équations montrent qu’un moteur Alcubierre pourrait déclencher une bulle torsadée en utilisant l’équation d’Einstein, mais il n’existe aucune équation connue qui puisse la soutenir.

« Il n’existe (à notre connaissance) aucune équation d’état connue qui permettrait de maintenir une jauge d’entraînement de torsion dans une configuration stable au fil du temps. Par conséquent, même si l’on peut stipuler qu’une bulle de torsion est initialement stationnaire, elle évoluera rapidement à partir de cela ». dans la plupart des cas, les distorsions du fluide de distorsion et de l’espace-temps se disperseront ou s’effondreront en un point central. »

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Bien que l’instabilité soit un obstacle majeur aux moteurs de distorsion, c’est aussi ce qui pourrait les rendre détectables. Si le moteur Alcubierre atteint une vitesse constante, cela ne peut pas être détecté. Il ne génère aucune onde gravitationnelle et n’a pas de masse ADM. ADM est l’abréviation d’Arnowitt-Deser-Misner, du nom de trois physiciens. Je laisse aux lecteurs curieux le soin d’en savoir plus Bloc ADM.

Mais un lecteur de distorsion ne peut être détecté que s’il est fixe et stable. Une fois qu’il s’effondre, accélère ou décélère, il peut être détecté. Dans leur travail, les auteurs ont laissé la bulle du moteur de distorsion s’effondrer.

« Physiquement, cela pourrait être lié à un effondrement du champ de confinement que la civilisation d’après-warp utilise (vraisemblablement) pour soutenir la bulle de distorsion contre l’effondrement. » Il écrit.

Dans leurs formulations, la nature du navire lui-même n’a pas d’importance. Seules la bulle de distorsion et le fluide de distorsion à l’intérieur comptent.

Les chercheurs ont simulé l’effondrement d’une bulle de distorsion. Ils ont constaté que l’effondrement générait des ondes gravitationnelles aux propriétés différentes de celles générées par les fusions.

« Le signal se présente sous la forme d’une rafale, ne contenant initialement aucun contenu d’onde gravitationnelle, suivie d’une période oscillatoire avec une fréquence caractéristique d’ordre 1/[R], » ils Il écrit. « Dans l’ensemble, le signal est très différent des collisions binaires compactes typiques observées par les détecteurs d’ondes gravitationnelles et ressemble davantage à des événements tels que l’effondrement d’une étoile à neutrons instable ou la collision directe de deux trous noirs. »

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Les auteurs soulignent que bien que le moteur de distorsion génère le signal GW, celui-ci se situe en dehors de la plage de fréquences de nos détecteurs au sol actuels.

« Des propositions concernant des détecteurs haute fréquence ont été faites, donc à l’avenir, il sera peut-être possible d’imposer des limites à la présence de tels signaux. » Il écrit. Le vaisseau lui-même peut également envoyer une sorte de signal multi-messages, mais il est difficile de savoir comment la matière du vaisseau interagit avec la matière normale.

« Comme nous ne savons pas quel type de matériau a été utilisé pour construire le vaisseau de distorsion, nous ne savons pas s’il interagirait (en dehors de la gravité) avec la matière ordinaire lorsqu’elle se propagerait dans l’univers », ont déclaré les chercheurs. Il explique.

Il s’agit d’une expérience de pensée amusante. Il est possible qu’il y ait une sorte de solution de contournement pour les voyages FTL un jour dans un avenir lointain. Si tel est le cas, cela pourrait être lié à une meilleure compréhension de la matière noire et de l’énergie noire. Si des ETI existent, elles pourraient être en mesure d’exploiter des connaissances fondamentales sur l’univers que nous ne possédons pas encore.

S’ils découvrent comment construire et utiliser un moteur de distorsion, même si c’est impossible, leurs activités pourraient créer des ondes gravitationnelles que nos futurs observatoires pourront détecter, même dans d’autres galaxies. Mais pour l’instant, tout cela reste théorique.

« Nous prévenons que les formes d’onde obtenues sont probablement très spécifiques au modèle utilisé, qui présente plusieurs problèmes théoriques connus, comme indiqué dans l’introduction », écrivent les auteurs. Il écrit Dans leur conclusion. « Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour comprendre à quel point les signatures sont générales et caractériser correctement leur détectabilité. »

Nul doute que certains physiciens curieux continueront à travailler là-dessus.

Cet article a été initialement publié par L’univers aujourd’hui. Lis le Article original.

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La Chine et la France lancent un satellite pour mieux comprendre l’univers

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La Chine et la France lancent un satellite pour mieux comprendre l’univers

Xichang : Un satellite franco-chinois sera lancé samedi à la recherche des explosions les plus puissantes de l’univers, un exemple marquant de coopération entre une puissance occidentale et le géant asiatique.

Le Space Variable Object Observer (SVOM), développé par des ingénieurs des deux pays, recherchera des sursauts gamma dont la lumière a parcouru des milliards d’années-lumière pour atteindre la Terre.

Le satellite de 930 kilogrammes transportant quatre instruments – deux français et deux chinois – sera lancé à bord d’une fusée chinoise Longue Marche 2-C depuis une base spatiale de Xichang, dans le sud-ouest de la province du Sichuan.

Les sursauts gamma se produisent généralement après l’explosion d’étoiles massives – celles 20 fois plus massives que le Soleil – ou la fusion d’étoiles compactes.

Les rayons cosmiques extrêmement brillants peuvent émettre une explosion d’énergie équivalente à plus d’un milliard de soleils.

Uri Gottlieb, astrophysicien au Center for Astrophysics du Flatiron Institute de New York, explique à l’AFP que les observer, c’est comme « regarder en arrière dans le temps, car la lumière de ces objets met beaucoup de temps à nous parvenir ».

– ‘Beaucoup de mystères’ –

Les rayons portent des traces de nuages ​​de gaz et de galaxies qu’ils traversent au cours de leur voyage dans l’espace, ce qui constitue une donnée précieuse pour mieux comprendre l’histoire et l’évolution de l’univers.

« SVOM a le potentiel de percer de nombreux mystères dans le domaine des sursauts gamma, notamment en révélant les GRB les plus éloignés de l’univers, qui correspondent aux plus anciens GRB », a déclaré Gottlieb.

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Les explosions les plus lointaines identifiées à ce jour se sont produites seulement 630 millions d’années après le Big Bang, soit cinq pour cent de l’âge actuel de l’univers.

« Nous nous intéressons aux sursauts gamma en tant que tels, car ce sont des explosions cosmiques très intenses qui nous permettent de mieux comprendre la mort de certaines étoiles », a déclaré Frederick Denny, astrophysicien à l’Institut d’astrophysique. Paris.

« Toutes ces données permettent de tester les lois de la physique avec des phénomènes impossibles à reproduire en laboratoire sur Terre. »

Une fois analysées, les données peuvent aider à mieux comprendre la composition de l’espace, la dynamique des nuages ​​de gaz ou d’autres galaxies.

Le projet est issu d’un partenariat entre les agences spatiales française et chinoise ainsi que d’autres groupes scientifiques et techniques des deux pays.

Une coopération spatiale à ce niveau entre l’Occident et la Chine est assez rare, d’autant plus que les États-Unis ont interdit toute coopération entre la NASA et Pékin en 2011.

– Course contre le temps –

Jonathan McDowell, astronome au Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian aux États-Unis, a déclaré : « Les préoccupations américaines concernant le transfert de technologie ont empêché les alliés américains de coopérer dans une large mesure avec les Chinois, mais cela arrive parfois. »

En 2018, la Chine et la France ont lancé conjointement CFOSAT, un satellite océanographique principalement utilisé pour la météorologie maritime.

Plusieurs pays européens ont participé au programme chinois d’exploration lunaire Chang’e.

Bien que SVOM ne soit « en aucun cas unique », a déclaré McDowell, il reste « important » dans le contexte de la coopération spatiale entre la Chine et l’Occident.

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Une fois qu’il aura atteint une orbite à 625 kilomètres (388 miles) au-dessus de la Terre, le satellite enverra ses données aux observatoires.

Le principal défi est que les sursauts gamma sont très courts, ce qui oblige les scientifiques à courir contre la montre pour collecter des informations.

Dès qu’une explosion est détectée, SVOM envoie une alerte à l’équipe en service 24 heures sur 24.

D’ici cinq minutes, ils devront faire fonctionner un réseau de télescopes au sol qui s’aligneront précisément sur l’axe de la source d’explosion pour faire des observations plus détaillées.

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