- Sursaut gamma
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Les sursauts gamma ou sursauts de rayons gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons gamma qui apparaissent aléatoirement dans le ciel. Ils sont situés à de très grandes distances de la Terre, et sont de ce fait les évènements les plus lumineux de l’Univers, après le Big Bang.
Sommaire
Histoire
Les premières détections de sursauts gamma (alors identifiées comme empreintes d'armes nucléaires) ont eu lieu le 2 juillet 1967 à 14:19 UTC par les satellites militaires américains du "Projet Vela" par le satellite Vela mise en orbite en 1963, chargés de contrôler l’application du traité portant sur l’interdiction des tests atomiques atmosphériques. Ce n’est qu’en 1973 que cette information a été rendue publique, ouvrant un nouveau champ de recherche astronomique. Jusqu’à la fin des années 1980, on n’a su que très peu de choses de ces phénomènes : ils sont imprévisibles, leur éclat est très variable et leur spectre non thermique. Ce sont les expériences françaises PHEBUS et américaine BATSE qui ont apporté la première grande avancée majeure : les sursauts gamma se répartissent en deux groupes distincts. La classification proposée se base sur la durée de l'évènement et ses propriétés spectrales : des sursauts courts (dont le maximum d'émission est à très haute énergie) et des sursauts longs (qui ont un maximum spectral à plus basse énergie, typiquement vers 100 keV). Si la durée des premiers ne dépasse pas deux secondes (elle est plus typiquement de l’ordre de quelques dixièmes de secondes), les seconds peuvent être observés dans le ciel pendant quelques secondes, voire quelques minutes. Les plus longs ne sont cependant observables que pendant une vingtaine de minutes, ce qui explique la grande difficulté de leur localisation précise. Ils se répartissent de façon isotropique sur la sphère céleste, ce qui favorise une origine extragalactique.
La seconde grande découverte fut le fait de BeppoSAX, un satellite italo-hollandais équipé d'un détecteur de rayonnement gamma mais aussi d'un détecteur de rayons X avec une résolution spatiale plus grande, permettant ainsi de « pointer » vers la source gamma supposée. Ce satellite observa pour la première fois une émission rémanente (c'est-à-dire une imagerie spatiale beaucoup plus prolongée de la source sur d'autres longueurs d'ondes que celle du rayonnement gamma) aux sursauts gamma le 28 février 1997. C’est grâce à ces observations et aux suivantes (BeppoSAX a observé plusieurs dizaines de sursauts gamma) que notre compréhension du phénomène des sursauts gamma a progressé.
Depuis la fin de la mission de BeppoSAX, d'autres satellites ont été lancés : HETE-2, et Swift. Lancé en 2004, ce dernier est équipé d'une roue à inertie qui permet un pointage très rapide de ses deux instruments d'imagerie X et optique. Il permet de ce fait d'observer l'émission rémanente du sursaut dans les premières minutes alors que le délai était sensiblement plus long avec les méthodes jusqu'alors utilisées. Le comportement de cette émission rémanente a pu être ainsi précisé : après une première phase de décroissance rapide, existe un plateau, puis une nouvelle décroissance au bout de quelques heures[1]. L'interprétation de cette évolution en trois phases reste problématique.
Origine
Les sursauts gamma sont liés aux stades ultimes de l’évolution stellaire et aux trous noirs. Les disparités observées entre les sursauts longs et les sursauts courts ont conduit depuis longtemps à penser que l’astre à l’origine du sursaut gamma, le progéniteur, devait être en fait de deux natures différentes.
On pense depuis 1998 que les sursauts longs (les plus étudiés) sont liés à la mort d’étoiles massives. Ce fait a été confirmé par l’observation de plusieurs sursauts gamma associés à des supernova de type Ib/c en 2003. Si on ne sait pas encore clairement pourquoi toutes les étoiles massives ne produisent pas de sursaut gamma, on est certain en revanche que certaines étoiles massives produisent des sursauts gamma, et que ces sursauts nous sont visibles uniquement parce que nous nous trouvons dans la ligne de visée d’un jet de matière éjectée à des vitesses fantastiques (de l’ordre de 99,995 pour cent de la vitesse de la lumière). C’est le choc de cette matière avec le milieu interstellaire qui produit l’émission rémanente. On suppose que ces jets sont produits par un trou noir en formation lors de la mort de l’étoile massive.
La nature des sursauts courts a été plus mystérieuse pendant longtemps. C’est finalement en 2005, grâce à des observations de HETE-2 que la position précise d’un sursaut court a pu être obtenue[2]. Grâce à elle, il a été possible de montrer que les caractéristiques des galaxies contenant les sursauts gamma courts sont très différentes de celles des galaxies contenant les sursauts gamma longs. Ceci a privilégié l’hypothèse que le progéniteur des sursauts courts n’est pas une étoile massive mais une binaire contenant des objets compacts (étoile à neutrons ou trou noir). Ces binaires rayonnent de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles et peu à peu se rapprochent. Lorsqu’ils deviennent trop proches l’un de l’autre, les objets compacts fusionnent, donnant naissance à un trou noir. C’est cette naissance qui serait annoncée à travers l’Univers par un bref flash de photons gamma.
Les sursauts gamma pour mieux comprendre la formation des étoiles
Les sursauts gamma longs sont directement liés aux étoiles, et il est possible d’étudier la formation des étoiles à partir de l’étude des sursauts gamma. La luminosité qui les caractérise permet en effet de les détecter jusqu’aux confins de l’Univers. Or, une propriété remarquable de la lumière est sa vitesse finie : les photons que nous recevons des sursauts gamma les plus lointains ont été envoyés il y a plus de 10 milliards d’années (le temps qu’ils ont mis pour nous rejoindre), et nous montrent l’Univers tel qu’il était à ce moment-là. Nous pouvons dès lors étudier ces époques révolues et mieux comprendre comment se sont formées les étoiles anciennes, comment elles ont évolué et comment elles ont influencé le contenu de l’Univers. L'immense avantage des sursauts gamma par rapport aux autres méthodes de détection d'objets lointains est la forte luminosité du phénomène. Le sursaut le plus lointain détecté en 2009 (GRB 090423) a émis sa lumière il y a près de 13,035 milliards d'années, à un moment où l'univers n'avait que 630 millions d'années.
Les sursauts gamma en détails : le modèle de la boule de feu
Le modèle le plus souvent utilisé pour expliquer le phénomène des sursauts gamma se nomme le modèle de la boule de feu. Dans ce modèle, un progéniteur va expulser de la matière à des vitesses ultra relativistes. Cette matière est composée presque uniquement d’électrons. L’énergie contenue dans les autres particules (protons) est en quelque sorte piégée, et donc perdue pour produire du rayonnement (on pense toutefois que ces protons accélérés font partie des rayons cosmiques observés par les astrophysiciens, voir le paragraphe ci-dessous).
La boule de feu n’est pas quelque chose d’homogène. Outre le fait qu’elle doive avoir une géométrie (on parle de jets de particules focalisés dans notre direction), l’éjection n’est pas continue mais se fait par spasmes : la « boule de feu » est composée de couches successives, qui voyagent chacune à une vitesse différente correspondant à des facteurs de Lorentz compris entre 50 et 500, c'est-à-dire très proche de la vitesse de la lumière. Lorsque deux couches se rejoignent (la plus rapide rattrapant l’autre), cela forme un choc semi-relativiste dit interne à l'origine d'une brusque émission de photons gamma. C’est cette course poursuite des diverses couches de matière qui est responsable de l’émission prompte, avec sa grande variabilité temporelle correspondant à une multitude de chocs internes.
La boule de feu, lors de son expansion, va également balayer le milieu environnant le progéniteur du sursaut. Un choc dit ultra-relativiste se forme. Lors de cette interaction, la boule de feu est freinée par le milieu, et va se mettre à rayonner de l’énergie à toutes les longueurs d’onde. Ce rayonnement est l’émission rémanente.
À ces deux mécanismes se rajoutent d’autres composantes liées à la dynamique des fluides choqués (une onde de choc en retour se propage par exemple dans les parties internes de la boule de feu lors de l’interaction avec le milieu externe) ou à la mécanique quantique (tel que des composantes inverse Compton), qui compliquent l’étude globale du rayonnement de la boule de feu. Cependant, puisque l’émission rémanente est due à l’environnement du progéniteur, c’est l’étude de cette émission qui est privilégiée pour connaître les conditions régnant autour des étoiles responsables des sursauts gamma.
Ce mécanisme global n'explique pas comment est produit le jet de matière à l'origine de la boule de feu, et plusieurs explications sont possibles. Parmi elles, une forte rotation stellaire semble être nécessaire pour que le jet issue des zones centrales de l'étoile massive puisse percer l'enveloppe stellaire et être observable[3]. Il faut noter également que l'essentiel de l'énergie des sursauts gamma est émise sous forme d'ondes gravitationnelles et de neutrinos.
Accélération de particules et sursauts gamma
Les sursauts gamma font partie des rares objets astrophysiques capables d'accélérer des particules jusqu'à des énergies supérieures à 1019 eV, au même titre que les Noyaux Actifs de Galaxies ou les vents de pulsars. Ils pourraient apporter une solution au problème de la génération et de l'origine des rayons cosmiques de ultra-haute énergie qui sont observés dans l'environnement terrestre. Même si de nombreuses questions non résolues subsistent quant aux détails des processus d'accélération, il semble que les processus d'accélération de Fermi relativistes soient les plus efficaces[4],[5]. Plusieurs possibilités sont envisagées et l'accélération des particules peut se produire en avant du jet, c'est-à-dire au voisinage du choc externe ultra-relativiste, mais également à l'intérieur même du jet dans les chocs internes ou bien sur les côtés du jet (modèle d'accélération sans choc). Seules des observations plus fines dans le domaine gamma (MeV - TeV) permettront d'affiner les différents modèles qui restent tous très dépendants de la structure du champ magnétique (intensité et niveau de turbulence) au sein de ces objets.
GRB (Bref Sursaut Gamma)
Ces sursauts particuliers ont longtemps été confondus avec les supernovæ et hypernovæ ; en voici une liste partielle :
- GRB 670702 : Premier sursaut gamma détecté par les satellites espions du Projet Vela de l'United States Air Force, alors qu'ils vérifiaient que le traité 1963 n'était pas violé par l'URSS.
- GRB 971214 : (1SAX J1156.4+6513) observé en 1997, George Djorgovski estime son énergie à une centaine de Supernova.
- GRB 970402 : observé le 2 avril 1997 constellation du Compas.
- GRB 970508 : observé le 8 mai 1997 à 21:42 UTC pendant 15 secondes par BeppoSAX.
- GRB 980425 : observé le 25 avril 1998 à 21:49 UTC, Première détection d'une supernova associée à un sursaut gamma.
- GRB 990123 : observé le 23 janvier 1999 par BeppoSAX.
- GRB 991216 : dit Beethoven Burst observé le 16 décembre 1999 par le Dr Brad Schaefer de l'université Yale.
- GRB 000131 : observé le 31 janvier 2000 à 14:59 UTC par WIND, Ulysses, NEAR Shoemaker et BATSE.
- GRB 011211 : observé le 11 décembre 2001 à 19:09:21 UTC par BeppoSAX pendant 270 secondes.
- GRB 020813 : observé le 13 aout 2002 à 02:4 UTC par High Energy Transient Explorer.
- GRB 070707 : observé en octobre 2002[6].
- GRB 030329 : observé le 23 mars 2003 à 11:37 UTC par HETE pendant 25 secondes dans la constellation du Lion.
- GRB 050509b : Première localisation précise d'un sursaut gamma court observé le 9 mai 2005 par SWIFT.
- GRB 050709 : observé le 9 juillet 2005 à 22:36:37 UTC par High Energy Transient Explorer.
- GRB 050904 : observé le 4 septembre 2005 dans la constellation du Poissons, c'est plus lointaine étoile solitaire détectée de façon certaine (type long Sursaut gamma).
- GRB 051221A : observé le 21 décembre 2005 par SWIFT.
- GRB 060218 : observé le 18 février 2006 dans constellation du Bélier.
- GRB 070714B : observé le 14 juillet 2007 à 04:59:29 UTC par SWIFT dans la constellation du Taureau pendant 3 secondes.
- GRB 070125 : observé le 25 janvier 2007, 1 mois après il est détecté par Large Binocular Telescope, type Hypernova.
- GRB 970228 : première détection de l'émission rémanente d'un sursaut gamma le 28 février 1997 par Beppo-SAX d'une durée de 80 secondes dans la constellation d'Orion.
- GRB 070714B : observé le 14 juillet 2007 à 04:59 UTC par SWIFT pendant 3 secondes.
- GRB 080916C : observé le 16 septembre 2008 par la mission Fermi Gamma-ray Space Telescope, GRB 080916C est à ce jour le sursaut gamma détecté à la plus haute énergie observable (TeV). Il se situe dans la constellation de la Carène et a émis sa lumière il y a 12,2 milliards d'années[7].
- GRB 080913 : observé le 13 septembre 2008 par SWIFT dans la constellation d'Éridan, c'est un type de supernova.
- GRB 090423 : observé le 23 avril 2009 à 07:55 UTC, d'une durée de 10 secondes, c'est le plus lointain sursaut gamma détecté à ce jour[8].
- GRB 100621A : observé le 21 juin 2010 par SWIFT non loin de la Voie lactée.
- GRB 110328A : observé le 28 mars 2011 par SWIFT
Pour les Russes voir les missions des fusées Voskhod & Zenit dit « Kosmos » ; par exemple Kosmos 428 a détecté une GRB en 1971.
Annexes
Articles connexes
Notes et références
- Mochkovitch R, Les sursauts gamma, témoins de la mort violente des étoiles, Pour la Science, février 2008, p46-53
- (en) In a Flash NASA Helps Solve 35-year-old Cosmic Mystery
- (fr)Un billard cosmologique: une nouvelle hypothèse pour l'origine des sursauts gamma, l'observatoire de Paris
- Waxman, E., 1995, Phys. Rev. Lett., 75, 386
- Gialis, D. & Pelletier, G., 2005, ApJ, 627, 868
- [1] GRB 070707: the first short gamma-ray burst observed by INTEGRAL; INTEGRAL has observed 47 long-duration GRBs (T90 ≳ 2 s) and 1 short-duration GRB (T90 ≲ 2 s) in five years of observation since October 2002
- (fr) Boule de feu aux confins de l’Univers, service d'astrophysique, laboratoire AIM
- [2]
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