L’origine des sursauts gamma


La mission Swift

Les observations du sursaut gamma GRB 970228 et d’autres qui suivirent permirent d’éliminer les théories qui faisaient appel au nuage d’Oort ou à des astres de la Galaxie. La nature cosmologique des sursauts ne fait plus de doute grâce à l’observation de leur décalage vers le rouge.

Notre compréhension des sursauts gamma a fait un bond en avant avec le satellite américain Swift lancé en novembre 2004 et toujours en opération. Ce satellite emporte avec lui trois instruments : BAT, un capteur de rayons gamma capable de surveiller simultanément un sixième du ciel, XRT, un détecteur de rayons X, et UVOT, un télescope d’observation dans l’ultraviolet et le domaine visible.

La particularité de ce satellite est d’être capable de se réorienter très rapidement (swiftly en anglais, d’où le nom). Aussitôt après la détection d’un sursaut gamma par BAT, le satellite peut se tourner vers la source en question de façon précise en quelques dizaines de secondes à peine. Ceci permet aux deux autres instruments, dont le champ de vision est beaucoup plus restreint, de contribuer à l’étude du sursaut et de sa rémanence. En même temps, toutes les données recueillies par Swift sont retransmises rapidement vers le sol où un suivi rapide par les télescopes terrestres peut être organisé.

Grâce à un détecteur de rayons gamma cinq fois plus sensible que celui de Compton, Swift a detecté plus de 500 sursauts gamma. La combinaison de trois instruments travaillant dans des longueurs d’ondes différentes a produit des informations précises sur la localisation des sursauts, leurs caractéristiques spectrales et l’évolution dans le temps de l’émission initiale et de la rémanence.

Grâce à toutes ces observations les astrophysiciens ont maintenant une bonne compréhension de l’origine des sursauts gamma. En fait, il y a même deux origines, l’une pour les sursauts gamma courts, c’est-à-dire d’une durée de moins de deux secondes, l’autre pour les sursauts gamma longs.

Les étoiles à neutrons

La source des sursauts gamma courts serait des couples d’étoiles à neutrons en orbite l’une autour de l’autre. La théorie de la relativité générale montre que dans une telle situation, les deux étoiles perdent rapidement de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Avec le temps, la baisse d’énergie du couple conduit à une diminution inexorable de la distance qui les sépare. Le ballet se conclut lorsque les deux corps entrent en collision pour fusionner ou donner naissance à un trou noir. Ce phénomène produit une énergie phénoménale qui pourrait expliquer les sursauts gamma courts.

GW170817

Observation en août 2017 par l’observatoire Chandra dans les rayons X de GW170817, le fruit de la fusion de deux étoiles à neutrons qui fut d’abord détecté par son émission d’ondes gravitationnelles puis, deux secondes plus tard, par un sursaut gamma court. Crédit : NASA/CXC/Northwestern U./GSFC

Les hypernovae

Pour les sursauts gamma longs, l’explication fait appel au concept d’hypernova, une version extrême de la supernova. Une hypernova se produirait lors de la disparition des étoiles les plus massives, d’au moins quarante fois la masse du Soleil.

Rappelons que les étoiles massives finissent leur existence par un effondrement gravitationnel qui conduit à la formation d’une étoile à neutron ou d’un trou noir. L’apparition de ce résidu central donne naissance à des ondes de chocs qui font exploser le reste de l’étoile et éjectent violemment ses couches externes. Pour expliquer les sursauts gammas, les astrophysiciens ont émis l’hypothèse qu’au sein des étoiles les plus massives, la force gravitationnelle est si intense que les couches externes de gaz ne sont par repoussées vers l’extérieur, mais capturées par le résidu central.

Ce processus amplifierait la quantité d’énergie gravitationnelle transformée en rayonnement et en chaleur lors de l’effondrement final et augmenterait considérablement l’énergie éjectée par les jets de plasma le long des pôles. Cette quantité d’énergie disponible plus importante et le fait que rayonnement soit émis dans un faisceau très fin pourraient donc expliquer comment cet événement est capable de libérer une énergie apparente beaucoup plus importante qu’une supernova classique.

GRB 990123

Rémanence en lumière visible du sursaut GRB 990123 observée par le télescope spatial en 1999, deux semaines après l’émission de rayons gamma. On aperçoit la galaxie lointaine d’où provient le sursaut et sa forme étrange suggère la possibilité d’une collision passée avec une autre galaxie. Crédit : A. Fruchter/STScI/NASA


Page mise à jour le 19 octobre 2017 par Olivier Esslinger