Des astronomes ont enregistré les rayons gamma les plus énergétiques jamais issus de sursauts gamma. © Korn V., Adobe Stock

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Le sursaut gamma le plus puissant jamais découvert dans l’univers

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Les sursauts gamma sont les explosions les plus puissantes que l'on puisse observer dans notre univers. Ce n'est pas une nouveauté. Mais aujourd'hui, des astronomes annoncent avoir enregistré des sursauts gamma d'une énergie record.

Environ une fois par jour, quelque part dans notre univers, se produit ce que les astronomes appellent un sursaut gamma. Un flash de photons très bref, mais extrêmement énergétique. Les chercheurs pensent que ces flashs trahissent la naissance cataclysmique d'un trou noir suite à des collisions d'étoiles à neutrons ou à des explosions de supernova. Les sursauts gamma sont les explosions les plus puissantes que les astronomes connaissent. Ils libèrent généralement plus d'énergie en quelques secondes que notre Soleil durant toute sa vie.

Mais leur détection reste délicate. Elle s'est, jusqu'à aujourd'hui, essentiellement faite grâce aux télescopes spatiaux. Malheureusement, leurs détecteurs ne sont pas sensibles aux rayons gamma de très haute énergie. Et personne ne savait donc réellement à quel point ils pouvaient être puissants. Jusqu'à ce qu'il y a quelques mois, plusieurs équipes internationales, comportant des chercheurs du CNRS, détectent enfin -- et de marnière indépendante -- des sursauts gamma d'une extrême énergie.

Pour bien comprendre l’énergie colossale détectée par les chercheurs, sachez que la lumière visible se situe sur une plage d’énergie d’environ 1 à 3 électrons-volts. © Desy, Science Communication Lab

Un premier sursaut gamma à l’été 2018

Alertés par des observations de deux télescopes spatiaux de la Nasa, Swift et Fermi, des astronomes opérant en juillet 2018 le High Energy Stereoscopic System (HESS), installé en Namibie, ont été les premiers à détecter, depuis le sol, des rayons gamma de haute énergie issus d'un événement baptisé GRB 180720B et survenu à pas moins de six milliards d'années-lumière de notre Terre. Près de 120 photons ont été enregistrés à une énergie comprise entre 100 et 440 GeV -- soit entre 100 et 440 milliards d'électrons-volts. Captés, qui plus est, près de dix heures après le déclenchement du sursaut gamma et pendant une durée de deux heures.

De quoi prouver pour la première fois la présence de particules accélérées à des énergies extrêmes dans les sursauts gamma. Mais aussi de mettre en évidence que ces particules existent encore, ou sont créées, longtemps après le sursaut initial. L'hypothèse la plus vraisemblable est que l'explosion initiale engendre la formation d'un jet de plasma qui, lorsqu'il rencontre le milieu interstellaire, ralentit et crée une onde de choc qui agit alors comme un « accélérateur de particules cosmique ».

Les chercheurs pensent ainsi que des particules chargées sont déviées dans les champs magnétiques puissants générés par l'explosion. Elles émettent alors un rayonnement dit synchrotron, semblable au rayonnement produit dans les accélérateurs de particules sur Terre. Pour atteindre les niveaux d'énergie détectés en juillet 2018 par les astronomes, les photons synchrotron entrent probablement en collision avec les particules rapides qui les ont générés, dans une étape qualifiée de diffusion de Compton inverse.

Un des sursauts gamma de très haute énergie, tels que vus par le réseau de télescopes HESS. La croix rouge indique la position du sursaut, déterminée à partir des mesures en optique. © Abdalla et al., HESS Collaboration

Mieux comprendre ces phénomènes extrêmes

Les chercheurs du Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (Magic) de La Palma (Espagne) ont, quant à eux, enregistré, en janvier 2019, des rayons issus d'un autre sursaut gamma, baptisé GRB 190114C et survenu à quelque quatre milliards d'années-lumière de nous. « Nous avons commencé à observer l'événement seulement 57 secondes après sa détection initiale et en 20 minutes, nous avons enregistré environ mille photons d'énergies comprises entre 0,2 et 1 TeV -- soit entre 200 et 1.000 milliards d'électrons-volts. Ce sont de loin les photons les plus énergétiques jamais découverts autour d'un sursaut gamma », raconte Cosimo Nigro, un astronome du groupe Magic.

Pour comprendre l'origine de tels photons, une troisième équipe a choisi d'étudier la région à l'aide du télescope spatial Hubble. Une région dans laquelle se trouvent deux galaxies en interaction. « Nos observations suggèrent que l'événement s'est produit au centre d'une galaxie massive et brillante, dans un environnement très dense », explique Andrew Levan, astronome à l'université Radboud (Pays-Bas). « C'est inhabituel et cela pourrait expliquer la puissance de l'émission. »

Au-delà de cela, les astronomes se sont aussi aperçus qu'il leur manquait auparavant environ la moitié du « budget énergétique » des sursauts gamma. Car les mesures montrent que l'énergie libérée dans les rayons gamma de très haute énergie est comparable à la quantité de rayonnement émise à toutes les énergies inférieures prises ensemble. Un résultat qualifié de « remarquable » par les chercheurs. Et de quoi probablement faire progresser la compréhension qu'ils ont de ce type de phénomène violent. Avant même la mise en service de la prochaine génération d'observatoires à rayons gamma comme le Cherenkov Telescope Array qui sera constitué de 100 instruments répartis sur deux sites, l'un dans l'hémisphère nord, à La Palma, et l'autre dans l'hémisphère sud, du côté du Cerro Paranal (Chili). Ses premières observations ne devraient toutefois pas intervenir avant 2023.

  • Les sursauts gamma sont les explosions les plus puissantes de notre univers.
  • Et des astronomes viennent d’enregistrer, autour de deux de ces événements, des énergies record.
  • De quoi éclairer d’un nouveau jour les mécanismes de ces phénomènes violents.
Pour en savoir plus

Un sursaut gamma pulvérise le record des explosions cosmiques

La plus formidable explosion jamais observée vient d'être méticuleusment analysée. Convertissez en énergie la masse de cinq soleils : c'est ce que le sursaut GRB 080916C a libéré, sous forme de rayons X et gamma, en soixante secondes ! La luminosité a largement dépassé ce qu'auraient produit 8.000 étoiles explosant en supernovae. Pour les astrophysiciens, c'est une aubaine car cet événement fournit un test de la gravitation quantique.

Article de Laurent Sacco paru le 23/02/2009

Cette image de GRB 080916C dans le domaine gamma(couvrant un angle de 60 degrés) a été obtenue par le Large Area Telescope de Fermi dans les 100 secondes qui ont suivi son apparition le 16 septembre 2008 à 0 h 12 mn 45 s TU. Les points colorés représentent les rayons gamma de différentes énergies : moins de 100 millions d'eV (points rouges), 100 millions à 1 milliard d'eV (points verts), plus de 1 milliard d'eV (points bleus). La lumière visible transporte une énergie d'environ 2 à 3 électron-volts (eV). Crédit : CNRS-Nasa/DOE/Fermi LAT Collaboration

C'était le 16 septembre 2008 lorsque les instruments à bord du satellite Fermi ont détecté un sursaut gamma en direction de la constellation de la Carène. Une batterie de télescopes au sol et en orbite, comme ceux du satellite Swift. L'instrument Gamma-Ray Burst Optical/Near-Infrared Detector (GROND) équipant le télescope de 2,2 mètres Max Planck de l'ESO à La Silla au Chili ne tardèrent pas à prendre le relais des détecteurs Gamma-ray Burst Monitor et Large Area Telescope de Fermi.

En plus de donner une estimation de la puissance du sursaut gamma, ces instruments ont permis d'estimer sa distance à 12,2 milliards d'années-lumière et de découvrir que la matière expulsée par l'explosion devait se déplacer à la vitesse de 99,9999% de celle de la lumière.

Observé en rayons X par les instruments de Swift en orbite, le rayonnement rémanent de GRB 080916C est bien visible en couleurs orange et jaune. Crédit : NASA/Swift/Stefan Immler

L'origine probable d'une telle puissance est une hypernova, c'est-à-dire une étoile très massive dépassant les 40 masses solaires dont le cœur s'est effondré si rapidement qu'un trou noir est apparu, entraînant l'émission de deux jets de matière incroyablement énergétiques.

Les photons gamma émis sont tout aussi impressionnants car leurs énergies s'étendent sur une gamme allant de 3.000 à 5 milliards de fois celle de la lumière visible. Quelques photons atteignant même une énergie 30 milliards de fois supérieure ont même été enregistrés par les instruments de Fermi.

Le plus fascinant n’est peut-être pas là…

En effet, Fermi a enregistré des décalages de l'ordre de 5 secondes entre les temps d'arrivée de photons gamma de différentes énergies. Les processus de magnétohydrodynamique relativiste à l'œuvre dans une hypernova sont complexes et ces retards pourraient être dus à l'environnement particulier formé lors de l'explosion ou au processus d'émission des photons gamma eux-mêmes. Ce n'est d'ailleurs pas la première fois que de tels retards sont observés.

Le 17 septembre 2008, 31,7 heures après l'apparition du sursaut gamma GRB 080916C le télescope de 2,2m Max Planck de l'ESO à La Silla (Chili) a pris cette image dans l'infrarouge proche. Le GRB est entouré d'un cercle blanc et il s'agit du rayonnement rémanent du sursaut gamma. Crédit : MPE/GROND

Toutefois, les théories de gravitation quantique, comme la gravitation quantique en boucles (LQG), et surtout la théorie des supercordes prédisent l'apparition de décalage de ce genre !

Le grand théoricien John Ellis et ses collègues avaient été conduits, par leurs calculs sur la structure en écume de l'espace-temps à l'aide de la théorie des supercordes, à la conclusion que sur des distances cosmologiques et pour des photons gammas très énergétiques, la modification de la vitesse de propagation de ces derniers conduisait à une accumulation de retards infinitésimaux mais finalement observables.

Les observations de retards dans le rayonnement de GRB 080916C s'ajoutent à celles déjà connues et nul doute que d'autres les rejoindront dans les années à venir, notamment grâce à Fermi. Si l'on pouvait montrer que ces délais augmentent avec la distance et conduisent tous à une même estimation de l'énergie de Planck, on saurait alors que l'on est bel et bien en présence d’effets de gravitation quantique.

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