Traduit par H. Boffin

Image reproduite avec l’aimable autorisation de ESO

Henri Boffin de l’ESOw1 décrit le mystère des sursauts gamma depuis leur découverte jusqu’aux résultats les plus récents concernant ces explosions astronomiques dramatiques.

Tout a commencé comme dans un film de James Bond. Dans les années 1960, en pleine guerre froide, les Etats-Unis lancent une série de satellites sensibles au rayonnement gamma afin de surveiller la conformité de l’Union Soviétique au Traité d'interdiction partielle des essais nucléaires qui bannissait les essais d’armes nucléaires dans l’atmosphère, dans l'espace et sous l'eau. Heureusement, aucune explosion ne fut détectée dans l’atmosphère terrestre.

Par contre, de mystérieuses bouffées de rayons gamma furent détectées qui semblaient venir de l’espace, un peu comme si – comme cela fut écrit plus tard dans la presse à sensations – des extra-terrestres étaient en train de faire une vaste guerre intergalactique! Parce que le nombre restreint de scientifiques ayant accès à ces données militaires voulaient vérifier tous les détails, ce n’est pas avant 1973, soit 6 ans après la première détection, que la découverte de ces explosions énigmatiques fut annoncée à la communauté scientifique toute entière. Malheureusement, les premiers détecteurs de rayons gamma ne pouvant déterminer l’origine des rayons gamma dans le ciel avec précision, une longue controverse s’en suivit concernant la cause de ces bouffées.

L’instrument GROND à l’Observatoire de La Silla est dédié à l’étude des sursauts gamma Image reproduite avec l’aimable autorisation de ESO

Lampes de poche ou phares marins?

Non seulement, les scientifiques ne pouvaient pas savoir où ces sources se trouvaient  mais ils ne pouvaient même pas déterminer leur distance. Etaient-ce des explosions se passant dans notre voisinage – dans le Système Solaire ou dans la Galaxie – ou bien plus loin ? Sans connaître la distance, il n’était pas possible de déterminer la puissance de ces événements : ne s’agissait-il que de petites étincelles à la surface de comètes, de comètes tombant sur des étoiles compactes, ou au contraire, de gigantesques explosions inconnues jusqu’alors ? La situation ressemble à celle d’une personne se promenant la nuit et voyant une lumière devant elle : est-ce une lampe de poche appartenant à quelqu’un de l’autre côte de la rue, les lumières d’une voiture éloignée, ou le signal rassurant d’un phare marin lointain?

Les astronomes laissèrent leur imagination s’emballer. À un moment, il y eut une centaine de théories pour expliquer ce nouveau phénomène – plus que le nombre d’événements observés ! Comme c’est souvent le cas, des avancées ne furent possibles que grâce à de nouvelles technologies, en particulier avec le lancement de satellites scientifiques dédiés à l’observation dans le domaine des rayons gamma.

L’instrument BATSE à bord de l’Observatoire en Rayons Gamma Compton de la NASA révéla qu’en moyenne, chaque jour, deux ou trois sursauts gamma illuminent l’Univers. BATSE a aussi montré que les sursauts gamma apparaissent dans toutes les directions. Cela contredisait une possible origine dans notre galaxie, la Voie Lactée, car, dans ce cas, on devrait voir la distribution aplatie typique des étoiles faiblement lumineuses. La raison en est que notre galaxie est un disque très aplati d’étoiles, comme le démontre l’apparence de la Voie Lactée elle-même, une bande d’étoiles traversant le ciel nocturne.

Même si elles s’avérèrent cruciales, ces observations ne clôturèrent pas le débat, et à la fin des années 1980, les astronomes étaient toujours divisés en deux camps opposés : les uns pensaient que les sursauts gamma étaient des « événements locaux », comme des comètes tombant sur des étoiles à neutrons, et se trouvaient dans le halo de notre galaxie. L’autre groupe écartait une telle possibilité et soutenait que les sursauts gamma étaient des événements dramatiques, liés à la mort d’étoiles et la naissance de trous noirs, et qu’ils se passent partout dans l’Univers.

La dispute fit rage jusqu’à ce que le satellite Italo-Néerlandais BeppoSAX^w2, lancé en 1996, utilisa une combinaison de caméras X et de détecteurs gamma, afin de montrer que les sursauts gamma proviennent de galaxies très distantes. Depuis, on a découvert un sursaut gamma qui se trouve à plus de 12,8 milliards d’années-lumière, ce qui signifie que nous l’observons tel qu’il était lorsque l’Univers n’était vieux que de 900 millions d’années^w3.

Les phénomènes les plus puissants depuis le Big Bang

Pour que les sursauts gamma puissent être détectés depuis la Terre, ils doivent générer de gigantesques quantités d’énergie. L’énergie libérée pendant un sursaut gamma en quelques secondes correspond à celle que le Soleil émettra pendant toute sa vie (environ 10 milliards d’années). En d’autres mots, ces événements sont si lumineux que pour un bref instant, ils rivalisent presque avec l’Univers tout entier! Mais ils ne durent qu’un très court moment: moins d’une seconde à quelques minutes.

Excepté le Big Bang, les sursauts gamma sont de loin les phénomènes les plus puissants dans l’Univers. Les astronomes ont aussi été capables de déterminer que ces explosions perturbent une très grande région autour d’elle – dans un cas, environ 5.500 années-lumière, ce qui correspond à plus d’un cinquième de la distance entre le Soleil et le centre de notre galaxie. Toute cette matière devient ionisée : c’est-à-dire que les atomes sont dépouillés de la plupart, si pas de la totalité, de leurs électrons. S’il y avait de la vie dans cette partie de l’Univers, elle serait presque quasi sûrement éradiquée. En fait, certains scientifiques pensent que l’extinction massive de l’Ordovicien-Silurien, qui eut lieu il y a environ 450 millions d’années et pendant laquelle environ 70% de toutes les espèces vivant sur Terre furent éteintes, fut causé par un sursaut gamma proche.

Les sursauts gamma sont donc des phénomènes incroyables qui dévastent leurs galaxies et libèrent d’énormes quantités d’énergie. La question qui se pose bien sûr est quel est le ‘moteur’ qui peut induire de tels événements. La formation d’un trou noir est un phénomène très puissant et les astronomes se sont demandés si les deux – trous noirs et sursauts gamma – sont effectivement liés.

Même si les détails sont encore loin d’être peaufinés, les scientifiques pensent maintenant que le meilleur modèle pour expliquer les sursauts gamma est celui de la ‘boule de feu’. D’après ce modèle, pendant la création d’un trou noir, l’énergie libérée par l’explosion est stockée dans l’énergie cinétique d’une couche de particules – la boule de feu – qui s’étend à une vitesse proche de celle de la lumière. Tout d’abord, la densité de la matière est si élevée que même des particules aussi fugaces que les photons et les neutrinos ne peuvent s’échapper. Lorsque la boule de feu a atteint un diamètre de 100 à 100 milliards de kilomètres, la densité de la matière diminue suffisamment pour que les rayons gamma puissent s’échapper : une partie de l’énergie cinétique de la boule de feu est convertie en rayonnement électromagnétique, produisant un sursaut gamma.

Long et court

Les nombreuses observations de sursauts gamma ont révélé qu’ils peuvent être divisés en deux catégories : longs (plus de 2 secondes) et courts (de quelques millisecondes à deux secondes). La différence entre les deux n’est pas seulement leur durée : les sursauts courts produisent aussi des photons ayant une plus grande énergie que ceux produits par les sursauts longs. Clairement, même si les deux types de sursauts sont associés aux trous noirs, l’origine physique de ces deux types doit être différente.

Ces dernières années, un grand effort international a permis de montrer de façon convaincante que les sursauts gamma longs sont liés à l’explosion ultime d’étoiles très massives (hypernovae), avec une masse initiale de plus de 30 à 40 fois la masse du Soleil et qui s’effondrent en un trou noir. Les preuves déterminantes furent fournies grâce aux télescopes de l’ESO en 2003^w4. Utilisant le Very Large Telescope^w5, de l’ESO, les astronomes obtinrent, pendant un mois, le spectre de la lumière résiduelle d’un sursaut gamma. Cela leur permit d’observer l’émergence graduelle du spectre d’une supernova, révélant l’explosion extrêmement violente d’une étoile.

Observations d’un sursaut gamma court dans une galaxie très distante, avec le VLT de l’ESO. L’image de gauche fut prise le 24 juillet 2005, 12 heures après le sursaut, et montre la position du sursaut gamma GRB 050724 mesurée avec le télescope en rayons X de Swift (XRT) et avec le satellite en rayons X Chandra. La croix bleue montre la position de la lumière visible résiduelle. Une autre image fut prise le 29 juillet 2005 et les deux images furent soustraites, donnant l’image de droite. Celle-ci révèle la lumière résiduelle du sursaut gamma. Image reproduite avec l’aimable autorisation de ESO

Plusieurs autres événements ont permis aux astronomes de relier les sursauts gamma longs aux hypernovae. Un tel événement eut lieu le 11 décembre 2001 et fut observé par le satellite XMM-Newton^w6, de l’ESA, seulement onze heures après que le sursaut fut détecté. A cet instant, l’objet émettait sept millions de fois plus de rayons X qu’une galaxie normale ! Cela permit à XMM de prendre des spectres détaillés du sursaut, donnant l’occasion aux astronomes de détecter la signature typique de plusieurs éléments chimiques, comme le magnésium, le silicium et le nickel, qui sont typiquement éjectés par des étoiles qui explosent (pour plus de détails sur la formation des éléments, voir Rebusco, Boffin et Pierce-Price, 2007).

Les astronomes étaient donc en train de détecter de la matière récemment éjectée par une supernova.

Etoiles qui fusionnent

Et les sursauts courts ? Jusqu’il y a peu, les astronomes n’avaient pas pu détecter la lumière résiduelle. Il n’était, dès lors, pas possible de les situer précisément et donc de déduire l’endroit ou ils se forment, ni de les caractériser par leur courbe de lumière (la variation de la luminosité en fonction du temps) ou leur spectre.

Les choses changèrent le 9 mai 2005 lorsque le satellite Swiftw7 de la NASA/ASI/STFC détecta un sursaut gamma durant 40 millisecondes et situé avec suffisamment de précision pour permettre aux astronomes de pointer dans sa direction le VLT et de prendre des images. Le sursaut, nommé GRB 050509B, se révéla situé dans une galaxie elliptique lumineuse, ne produisant plus d’étoiles et située à 2,7 milliards d’années-lumière. Cette observation n’est pas compatible avec le modèle d’hypernova car une supernova liée à l’effondrement d’une étoile massive est peu probable dans ce genre de galaxie, qui ne produit plus d’étoiles et est donc généralement exempte des étoiles massives dont la durée de vie est très courte. Par contre, de telles galaxies elliptiques lumineuses contiennent un grand nombre de systèmes binaires (deux étoiles tournant l’une autour de l’autre) composés d’étoiles compactes. Cela conforte l’idée de l’autre modèle à la mode, selon lequel les sursauts gamma sont le résultat de la fusion de deux étoiles à neutrons, conduisant à la formation d’un trou noir. Afin d’être sûr que le modèle de l’hypernova pouvait être écarté, les astronomes ont observé le sursaut pendant trois semaines supplémentaires, jusqu'à ce qu’ils furent convaincus que même la supernova la plus ténue aurait été détectée. Mais aucune ne fut trouvée.

Courbe de lumière du sursaut gamma du 7 juin 2006, GRB 060607A. Les points rouges sont les données obtenues à l’Observatoire de l’ESO de La Silla. Ils indiquent la luminosité de la lumière résiduelle dans l’infrarouge du sursaut. La ligne bleu, ajustée aux données, permet aux astronomes de déterminer le pic de la courbe de lumière et d’ainsi déterminer la vitesse de la matière. Ils ont trouvé que celle-ci se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière. Cliquez sur l’image pour l’agrandir Image reproduite avec l’aimable autorisation de ESO

Quelques mois plus tard, les astronomes ont détecté, pour la première fois, dans le visible, la lumière résiduelle d’un sursaut gamma court. Les images obtenues à l’observatoire de l’ESO de La Silla, au Chili, ont permis de détecter une source qui s’affaiblissait à l’extrémité d’une galaxie.

Les astronomes ont observé le sursaut, dénommé GRB 050709, pendant 20 jours, mais ne purent détecter aucun signal de supernova. Cela conforte encore une fois l’hypothèse que les sursauts gamma courts ne sont pas le résultat d’une hypernova mais plutôt lié à la fusion de deux étoiles très compactes conduisant à un trou noir.

Le modèle de fusion : on pense que les sursauts gamma courts se forment lorsque deux objets très compacts (étoiles à neutrons ou trous noirs) fusionnent pour produire un trou noir Image reproduite avec l’aimable autorisation de ESO

Dans ce modèle (voir l’image), deux étoiles massives en orbite l’une autour de l’autre, brûlent leur fuel en environ 100 millions d’années et s’effondrent en des étoiles à neutrons très denses ne mesurant que 10 à 20 kilomètres de diamètre. Entre 100 millions et quelques milliards d’années, les deux objets continuent à perdre de l’énergie, ce qui raccourcit l’orbite. Finalement, les deux étoiles entrent en collision et produisent un sursaut gamma court. La théorie est aussi applicable si l’une des étoiles devient un trou noir, au lieu d’une étoile à neutrons. Celui-ci dévorera finalement son compagnon étoile à neutrons.

Quarante ans après que les sursauts gamma aient été découverts, nous savons maintenant qu’ils apparaissent partout dans l’Univers, depuis sa frontière la plus ultime jusqu’aux galaxies proches. Nous avons également une explication pour les deux types de sursauts découverts. Mais la Nature est souvent plus compliquée qu’on veut bien le croire : grâce aux avancées des techniques d’observations, les astronomes continuent de découvrir de nouveaux types de sursauts gamma, et l’histoire est donc loin d’être terminée.

Références

Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: where your jewellery comes from. Science in School 5: 52-56. www.scienceinschool.org/2007/issue5/fusion

Références Web

w1 –ESO, l’Organisation Européenne pour des Recherches Astronomiques dans l’Hémisphère Austra: www.eso.org

w2 – BeppoSAX: www.asdc.asi.it/bepposax/

w3 –Star Death Beacon at the Edge of the Universe (communiqué de presse ESO en anglais): www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2005/pr-22-05.html

w4 –Cosmological Gamma-Ray Bursts and Hypernovae Conclusively Linked (communiqué de presse ESO en anglais): www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2003/pr-16-03.html

w5 –Pour en savoir plus sur le Very Large Telescope, voir www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/paranal.html (en anglais)

ou Pierce-Price D (2006) Une journée dans la vie d’un des plus grands télescopes au monde, Science in School 1: 56-60. www.scienceinschool.org/2006/issue1/telescope

w6 – XMM-Newton: http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=23

w7 –La page internet du satellite Swift de la NASA: http://swift.sonoma.edu/about_swift/grbs.html

Ressources

Pour en savoir plus sur les supernovae,voir:

Székely P, Benedekfi Ö (2007)Fusion in the Universe: when a giant star dies... Science in School 6: 64-68. www.scienceinschool.org/2007/issue6/fusion

GCN, le réseau des sursauts gamma: http://gcn.gsfc.nasa.gov/