Notes sur la fin des étoiles en astronomie: le sursaut gamma, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez10 January 2014

Notes sur la fin des étoiles en astronomie: le sursaut gamma, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur la fin des étoiles en astronomie: le sursaut gamma, Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Les sursauts gamma, La caractéristique la plus intéressante, Un peu d'histoire, L'origine des su...
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La fin des étoiles en astronomie :

Sursaut gamma

Les sursauts gamma (gamma ray bursts ou GRB en anglais) sont l'une des dernières grandes

énigmes de l'astrophysique contemporaine. Bien que l'existence de ces émissions soit connue

depuis les années 1960, leur nature exacte reste à déterminer, principalement en raison d'un

manque de données observationnelles. Pour donner un exemple, il y a une dizaine d'années à

peine, les astrophysiciens ne savaient toujours 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, avec une durée

comprise entre quelques millisecondes et plusieurs minutes. Rappelons que les rayons gamma

sont en fait 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 aléatoire de la voûte céleste.

La 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 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

Un peu d'histoire

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. En l'occurrence, 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 la Galaxie, n'était donc plus

plausible.

La fin des années 1990 vit un autre progrès décisif, lorsqu'il apparut que les sursauts 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 à l'étude des

sursauts, en particulier dans l'identification des galaxies contenant leur source.

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

L'origine des sursauts gamma

Les observations de GRB 970228 et d'autres qui suivirent ont permis d'éliminer les théories qui

faisaient appel au nuage d'Oort ou à des astres de la Galaxie. La nature cosmologique des

sursauts les plus longs ne fait plus de doute grâce à l'observation de leur décalage vers le rouge

(le doute subsiste pour les plus courts, dont le décalage n'a jamais pu être mesuré). Les

astrophysiciens se trouvent donc confrontés à la tâche d'expliquer le phénomène le plus

puissant de l'Univers, capable d'émettre des centaines de fois plus d'énergie qu'une explosion

de supernova.

A l'heure actuelle, deux théories prédominent. Dans la première, la source des sursauts serait

un couple d'étoiles à neutrons en orbite l'une autour de l'autre. La théorie de la relativité 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 finalement 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.

L'autre explication fait appel au concept d'hypernova, une version extrême de supernova, qui

pourrait se produire lors de la disparition des étoiles les plus massives, 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 donc 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 augmenterait considérablement l'énergie gravitationnelle transformée en

rayonnement et en chaleur lors de l'effondrement final. Il pourrait donc expliquer comment cet

événement est capable de libérer une énergie beaucoup plus importante qu'une supernova

classique. Notons néanmoins que l'existence des hypernovae est encore très hypothétique,

contrairement aux supernovae qui sont connues depuis longtemps.

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

La mission Swift

Nos connaissances sur les sursauts gamma et leurs sources devraient bientôt faire un bond en

avant grâce au satellite américain Swift lancé en novembre 2004. 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

pourra se tourner vers la source en question de façon précise en quelques dizaines de secondes

à peine. Ceci permettra 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 seront retransmises rapidement vers le sol, où un suivi rapide

par les télescopes terrestres pourra être organisé.

Grâce à un détecteur de rayons gamma cinq fois plus sensible que celui de Compton, Swift

devrait pouvoir étudier un millier de sursauts pendant les trois années de sa mission. La

combinaison de trois instruments travaillant dans des longueurs d'ondes différentes produira

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. Ces données devraient nous

aider à mieux comprendre la source des sursauts, leur évolution et leur interaction avec le

milieu environnant.

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