Sursauts gamma
par Olivier Esslinger
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publié le 26 décembre 2004
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.
Un peu d'histoire
Les sursauts gamma furent découverts par hasard, en 1967, par des satellites américains mis en 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'observations 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 Hubble de se joindre à l'étude des sursauts, en particulier dans l'identification des galaxies contenant leur source.
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 neutrons 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 pas 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.
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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