L’énigme des sursauts gamma


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.

La puissance des sursauts gamma

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.

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

La découverte des sursauts gamma

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.

Le satellite Compton

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.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger