Vue d'artiste d'un jet relativiste d'un sursaut gamma (GRB), sortant d'une étoile en train de s'effondrer et émettant des photons de très hautes énergies. © DESY, Laboratoire de communication scientifique
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Sursauts gamma : un record d'énergie remet en cause la théorie de leur rayonnement

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[EN VIDÉO] Sursauts gamma : des collisions d'étoiles à neutrons illuminent l'Univers  Les sursauts gamma sont les évènements les plus lumineux de l'Univers dans le domaine des ondes électromagnétiques. On peut en observer un par jour en moyenne sur la voûte céleste et ils surviennent dans des galaxies lointaines. Il en existe deux types, les courts et les longs. Cette vidéo explique la nature des sursauts courts. 

Les scientifiques expliquent les sursauts gamma longs en faisant intervenir l'effondrement d'une étoile en trou noir conduisant à une hypernova. Les récentes observations du sursaut gamma GRB 190829A, par les satellites Fermi et Swift et surtout l'observatoire Hess (High Energy Stereoscopic System) au sol, ne cadrent pas avec une partie du mécanisme d'émission des rayons gamma avancé par les astrophysiciens théoriciens.

On sait que l'astronomie gamma a vraiment commencé dans l'espace et qu'elle était tenue secrète car il s'agissait initialement de détecter des explosions nucléaires. Les États-Unis voulaient vérifier à partir des années 1960 que tout le monde respectait bien l'interdiction d'essais d'armes atomiques dans l'atmosphère. Ainsi dès 1963, les satellites Vela lancés par les États-Unis étaient destinés à surveiller l'application du Traité d'interdiction partielle des essais nucléaires signé la même année avec l'URSS et plusieurs pays disposant d'un programme d'arme nucléaire. En 1972, les chercheurs travaillant avec ces instruments firent la découverte du premier sursaut gamma, une source transitoire sur la voûte céleste exceptionnellement brillante dans ce domaine de longueur d'onde. Le terme anglo-saxon pour les désigner étant gamma-ray bursts, on l'abrège souvent en GRB.

Bien des années plus tard, l'observation de ces phénomènes fut publiquement annoncée et des instruments furent dédiés à leur étude, plusieurs satellites dans l'espace comme Fermi et Integral, mais aussi des télescopes sur Terre capables d'observer indirectement l'arrivée de rayons gamma de hautes énergies dans l'atmosphère. En entrant en collision avec les atomes de ses couches supérieures, une gerbe de particules secondaires chargées est produite par un photon gamma grâce à l'énergie qu'il contient. Ces particules secondaires peuvent à leur tour générer un rayonnement électromagnétique dit rayonnement Cherenkov bien plus facile à collecter et étudier que des photons gamma (la fabrication de miroirs ou de lentilles gamma est tout sauf évidente).

Il y a plusieurs années, une source de rayonnement cosmique à des énergies encore jamais observées dans notre Galaxie avait pu être identifiée grâce au réseau de télescopes Hess, en Namibie. Il s’agissait du trou noir supermassif central. Intervenant : Emmanuel Moulin SPP/Irfu /CEA. Réalisation : Alice Mounissamy – communication de l’Irfu/CEA. © CEA Sciences

Des photons gamma détectés grâce aux photons Cherenkov

Depuis septembre 2002, sur le site de Gamsberg en Namibie, les miroirs des télescopes à rayons gamma du projet Hess (High Energy Stereoscopic System dont les initiales rendent hommage au physicien Victor Franz Hess qui découvrit les rayons cosmiques en 1910, ce qui lui valut le prix Nobel en 1936) permettent donc d'étudier grâce au rayonnement Cherenkov les photons gamma cosmiques

Ils ont été mis à contribution le 29 août 2019 lorsque les satellites Fermi et Swift ont détecté un sursaut gamma long (donc durant plus de quelques secondes par opposition aux sursauts gamma courts) dans la constellation de l'Éridan. Ensemble, ces instruments ont commencé par révéler que GRB 190829A, selon sa date d'apparition, était l'un des sursauts gamma les plus proches observés jusqu'à présent, avec une distance d'environ un milliard d'années-lumière.

Il sort du lot une première fois par les énergies de certains de ses photons car elles pouvaient atteindre 3,3 téra-électronvolts (3,3 TeV), soit environ un trillion de fois l'énergie des photons de la lumière visible. Il s'agit de l'énergie la plus élevée d'un sursaut gamma enregistrée à ce jour comme l'explique un communiqué du CEA qui a participé à cette découverte. Selon la célèbre relation d'Einstein, un tel photon pourrait être converti en pas loin de 3.300 protons et son énergie est comparable à celle des protons lors des collisions au LHC.

Mais comme l'explique également un article publié dans Science présentant cette découverte, la combinaison des mesures dans les domaines gamma et X de GRB 190829A a mis en évidence un échec des théories habituelles pour expliquer l'origine des rayonnements associés à un GRB long de ce type.

Ces images de synthèse illustrent le modèle d'hypernova, qui doit rendre compte de la majorité des sursauts gamma longs. Avant l'explosion d'une étoile très massive, un trou noir se forme à la place de son cœur en avalant ensuite le reste de l'étoile. Comme il se forme aussi un disque d'accrétion avec des jets de particules, on les voit émerger de la surface de l'étoile et se propager dans le milieu interstellaire en créant une onde de choc. Des émissions de photons gamma s'y produisent alors. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Deutsches Elektronen-Synchrotron

Des photons X boostés par des collisions avec des électrons

Si la théorie de sursauts gamma courts fait intervenir des collisions d'étoiles à neutrons produisant une kilonova, la théorie la plus couramment admise de nos jours des sursauts gamma longs fait intervenir l'effondrement brutal du cœur d'une étoile très massive en trou noir. Avant que toute l'étoile ne soit déstabilisée, un disque d'accrétion se forme autour du trou noir en rotation et la production de jets de particules selon l'axe de rotation du trou noir s'enclenche. Peu de temps après, l'étoile explose en donnant une hypernova, comme le montre la vidéo ci-dessus.

Les particules accélérées dans ces jets sont chargées et elles se mettent à rayonner en donnant un rayonnement dit synchrotron dont une partie du spectre est dans le domaine des rayons X. Ce phénomène est bien connu sur Terre et l'emploie par exemple avec le synchrotron Soleil dans la banlieue parisienne ou avec l'European Synchrotron Radiation Facility à Grenoble. Les calculs montrent que ce rayonnement ne peut cependant pas atteindre le domaine des rayons gamma.

Toutefois, des électrons à des vitesses relativistes dans les jets du trou noir peuvent entrer en collision avec les photons X et leur donner de l'énergie selon un processus dit d'effet Compton inverse. S'il existe bien une corrélation pour cette raison entre les émissions X et gamma, cette corrélation n'autorise pas une synchronisation étroite entre la baisse de l'intensité des rayonnements X et gamma au cours des jours suivant l'explosion de l'hypernova après le pic des émissions de photons gamma. On ne devrait pas voir non plus le spectre du rayonnement gamma se comporter comme une extrapolation du spectre du rayonnement X.

Or c'est bel et bien ce qui a été observé dans le cas de GRB 190829A. Pour les astrophysiciens, cela implique qu'un seul et même mécanisme de production des photons X et gamma est à l'œuvre et implique aussi de repenser l'origine d'au moins un sursaut gamma long.

Le comportement de la matière peut constamment étonner les gens, surtout lorsque des conditions extrêmes sont impliquées. Dans cette vidéo, le Dr. Don Lincoln décrit ce qui se passe lorsqu'une particule chargée traverse un matériau transparent plus rapidement que la lumière ne traverse ce même matériau. Lorsque cela se produit, une lumière bleue et violette est émise. Cette lumière est appelée lumière Cerenkov. Cette vidéo vous dit tout ce que vous devez savoir. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

 

Pour en savoir plus

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

Article de Nathalie Mayer publié  le 24/11/2019

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.


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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