Les sursauts gamma

GRB 021125
Le sursaut GRB 021125 observé dans les rayons gamma par le satellite Integral de l’ESA. La source de ce sursaut se trouve à cinq milliards d’années-lumière de nous. Crédit : IBIS/ESA/ECF

Les sursauts gamma (gamma ray bursts ou GRB en anglais) sont l’un des grands sujets d’étude de l’astrophysique contemporaine. Bien que l’existence de ces émissions soit connue depuis les années 1960, leur nature exacte reste encore un sujet de recherche. Jusque dans les années 1990 les astrophysiciens ne savaient même pas si la source des sursauts se trouvait dans le système solaire, dans la Voie Lactée ou dans des galaxies lointaines.

Ces sursauts sont tout simplement de brèves émissions de rayons gamma d’une durée comprise entre quelques millisecondes et plusieurs minutes. Rappelons que les rayons gamma sont des photons très énergétiques produits par exemple sur Terre lors de réactions nucléaires. S’il était possible de surveiller en permanence l’ensemble du ciel, on observerait en moyenne un sursaut gamma par jour provenant d’une direction quelconque de la voûte céleste.

Leur caractéristique la plus intéressante est l’énergie mise en jeu. Si les sursauts trouvent leur origine dans des galaxies lointaines, ce qui a été prouvé pour certains d’entre eux, l’énergie émise par leur source doit être prodigieuse, des centaines de fois plus grande que celle générée par une supernova.

Cette puissance extraordinaire explique l’intérêt que la communauté astronomique porte aux sursauts gamma, puisqu’ils pourraient révéler de nouveaux processus mettant en jeu les étoiles à neutrons, les trous noirs ou les hypernovae, voire des phénomènes astrophysiques inconnus à ce jour.

Le satellite Compton

Les sursauts gamma furent découverts par hasard en 1967 par des satellites américains mis on orbite pour surveiller l’application du traité d’interdiction des essais nucléaires par l’union soviétique. Ces satellites ne révélèrent aucune violation du traité, mais détectèrent des émissions sporadiques de rayons gamma, de courte durée et d’origine inconnue.

Il devint rapidement clair que ces sursauts provenaient de l’espace plutôt que de la Terre, mais les détecteurs de l’époque étaient incapables de mesurer précisément leur direction d’origine. Le manque de contraintes observationnelles conduisit à des théories très diverses, mettant par exemple en jeu les étoiles à neutrons de la Voie Lactée, le nuage d’Oort entourant le système solaire, ou bien des sources dans les galaxies lointaines.

La première avancée expérimentale provint d’observation dans les rayons X au début des années 1990 par le satellite américain Compton (CGRO). Ce dernier emportait avec lui un instrument baptisé BATSE capable de surveiller simultanément une grande partie du ciel et de fournir une direction précise en cas de détection. L’observatoire Compton fut ainsi en mesure de déterminer la position de plusieurs centaines de sursauts et de démontrer que leurs sources se répartissaient de manière aléatoire sur toute la voûte céleste.

Or, si les sursauts provenaient principalement de notre Galaxie, ils ne seraient pas distribués uniformément dans le ciel, mais concentrés dans la même bande étroite que la Voie Lactée. L’explication préférée de l’époque, par des phénomènes à la surface des étoiles à neutrons de notre Galaxie, n’était donc plus plausible.

BATSE
Distribution dans le ciel des sursauts gamma détectés par l’instrument BATSE du satellite Compton. On voit clairement que les sursauts proviennent de toutes les directions du ciel, ce qui élimine les théories expliquant ce phénomène par des corps appartenant à la Voie Lactée (notre Galaxie). Crédit : BATSE/CGRO/NASA

La rémanence des sursauts gamma

La fin des années 1990 vit un autre progrès décisif lorsqu’il apparut que les sursauts gamma pouvaient être suivis par une émission de lumière dans d’autres longueurs d’onde, un phénomène appelé rémanence. Cette découverte fut faite en 1997 par le satellite italien BeppoSAX lors de l’observation du sursaut GRB 970228 dans les rayons X.

Il s’agissait d’une avancée fondamentale car elle ouvrait la voie à l’observation par de nouveaux outils, en particulier la spectroscopie. Celle-ci fut rapidement mise à contribution pour mesurer le décalage vers le rouge de la lumière rémanente, qui révéla que la source devait se trouver dans une galaxie située à des milliards d’années-lumière.

En observant le même sursaut avec le télescope William Herschel, une autre équipe révéla l’existence d’une rémanence dans le domaine visible. Cette nouvelle caractéristique permettait dorénavant aux grands télescopes terrestres et au télescope spatial de se joindre aux observations, en particulier dans l’identification des galaxies contenant leur source, ce qui allait permettre de grandes avancées dans notre compréhension de 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