Une vue d'artiste des GRB utilisés comme chandelles standards en cosmologie. © NAOJ
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Des sursauts gamma pourraient aider à comprendre la nature de l'énergie noire

ActualitéClassé sous :cosmologie , énergie noire , sursaut gamma court

Les supernovae SN Ia ne sont pas assez lumineuses pour sonder les premiers milliards d'années de l'expansion de l'Univers observable. Mais il apparait de plus en plus clairement que les sursauts gamma peuvent aider à le faire, jetant potentiellement une nouvelle lumière sur la nature de l'énergie noire.

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La vitesse de l'expansion du cosmos observable accélère depuis quelques milliards d'années comme s'il contenait une pression issue d'une densité d'énergie exotique que l'on appelle l'énergie noire et qui ne se dilue pas avec l'expansion, contrairement à la matière. La découverte de cette expansion accélérée, alors que le modèle cosmologique standard précédant la fin des années 1990 prédisait le contraire après le Big Bang, a été rendu possible en utilisant des phénomènes astrophysiques que l'on pouvait largement considérer comme des chandelles standards, en particulier les supernovae SN Ia.

De la détermination de la nature de l'énergie noire dépend la détermination du destin de l'Univers observable. Mais pour cela, il faut augmenter la détection de supernovae SN Ia ou d'autres événements cosmiques permettant de calculer des distances et des décalages spectraux. Il se trouve qu'une équipe internationale d'astrophysiciens menée par Maria Dainotti, professeure adjointe à l'Observatoire astronomique national du Japon (Naoj), vient de faire savoir via un article à sur arXiv, que l'on pouvait se servir pour cela de certains sursauts gamma. En fait, il s'agit de la confirmation plus solide des résultats obtenus depuis bien des années.

Pour comprendre de quoi il en retourne, reprenons ce que Futura avait expliqué au sujet des chandelles standards et comment elles s'appuient les unes sur les autres pour constituer ce que l'on appelle l'échelle des distances cosmiques.

La problématique de l'échelle des distances cosmiques

Voici donc quelques rappels donnant des explications complémentaires concernant la vidéo ci-dessous, qui illustrent ce qui est expliqué ci-après.

Les Céphéides sont des étoiles variables particulières qui voient leur luminosité changer au cours du temps avec une période donnée. C'est en 1912, en étudiant les Céphéides du Petit Nuage de Magellan, que Henrietta Leavitt découvrit que cette période était corrélée à leur magnitude apparente moyenne. Plus elles sont lumineuses et plus lentement elles varient. On pouvait donc espérer déduire la luminosité intrinsèque d'une céphéide en mesurant sa période.

La méthode a été étalonnée grâce aux céphéides proches dont la distance pouvait être évaluée par la méthode de la parallaxe qui permet d'estimer les distances des étoiles les plus proches dans la Voie lactée. Il était dès lors possible de déduire la distance de céphéides plus lointaines directement de leur rythme de variation d'éclat. En effet, plus une étoile est loin, moins elle apparaît lumineuse mais si l'on connaît sa luminosité intrinsèque, on peut estimer sa distance.

En cosmologie, on parle de l'échelle des distances cosmiques pour désigner un ensemble de méthodes qui prennent appui les unes sur les autres pour déterminer de proche en proche les distances des astres dans le cosmos observable. Tout commence avec des mesures de parallaxe dans le Système solaire, c'est-à-dire des angles que fait une étoile proche sur la voûte céleste à deux périodes de l'année. La géométrie du triangle permet alors de déduire une distance si les angles sont assez grands pour être mesurables. © Hubble, ESA

Les Céphéides sont ainsi devenues des sortes de chandelles standard permettant d'évaluer la distance séparant la Voie lactée des galaxies, là aussi les plus proches, comme Andromède ou le Grand Nuage de Magellan. Edwin Hubble se servit de la relation de Henrietta Leavitt, d'abord pour découvrir l'expansion de l'Univers et ensuite étalonner la loi de Hubble-Lemaître reliant la distance d'une galaxie avec son décalage spectral.

Pour mesurer des distances encore plus lointaines dans l'Univers lointain, il est possible d'utiliser un autre type d'étoiles, ce ne sont pas exactement des chandelles standard mais elles peuvent servir de bons indicateurs de distance. Ce sont les supernovae SN Ia.

Ces astres résultent de l'explosion de naines blanches dans un système binaire. La luminosité d'une SN Ia ne peut pas s'écarter beaucoup d'une certaine valeur moyenne, et comme elle peut représenter celle de centaines de milliards d'étoiles, on peut les voir de loin. En se servant des Céphéides, on peut étalonner une relation donnant la luminosité apparente d'une SN Ia avec sa distance. Connaissant son décalage spectral vers le rouge, on peut alors relier sa distance à ce décalage et, par la loi de Hubble-Lemaître, à la vitesse d'expansion de l'Univers à une date donnée de son histoire -- puisqu'observer loin, c'est observer tôt.

C'est en dressant la courbe reliant le décalage spectral des SN Ia avec leur luminosité apparente que Riess, Perlmutter et leurs collègues ont découvert l'expansion accélérée de l'Univers en 1998 et 1999.

On pourrait faire de même avec les GRB, ce qui peut aider notamment à résoudre le problème actuel avec la mesure de la constante de Hubble-Lemaître.

Une présentation des rayons gamma et des GRB. 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 ». © NASA Goddard Space Flight Center

De sursauts gamma comme chandelles standards

Revenons en maintenant au travail de Maria Dainotti et ses 23 collègues. La découverte des sursauts gamma il y a des décennies a surpris car il s'agissait visiblement d'événements extrêmement énergétiques pour produire les bouffées d'énergie gamma détectée initialement par des satellites militaires dans l'espace chargés de surveiller des tests illégaux d'armes nucléaires à l'air libre ou dans l'espace.

Pour rendre compte de l'intensité et des énergies des rayonnements gamma observées avec les Gamma Ray Burt (GRB) comme on dit en anglais, deux classes de processus ont été proposées. L'une fait intervenir des collisions d'étoiles à neutrons et on sait que ce scénario explique bien certains GRB puisque qu'on l'a démontré il y a quelques années en combinant la détection d'ondes gravitationnelles avec celle des ondes électromagnétiques émises par une kilonova.

L'astrophysicienne Maria Dainotti expliquait déjà en 2017 les résultats concernant les GRB que l'on a consolidés aujourd'hui. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en italien devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © MEDIAINAF TV

L'autre classe fait intervenir l'explosion d'étoiles très massives qui s'effondrent gravitationnellement en donnant un trou noir. Or, voilà que Maria Dainotti et ses pairs pensent avoir mis en évidence une deuxième division avec les GRB en consultant les données enregistrées depuis les années 1990 aussi bien avec des télescopes au sol opérant dans le visible, comme le Subaru à Hawaï, qu'avec des télescopes spatiaux opérant aussi bien dans le domaine gamma que X, avec notamment le satellite Neil Gehrels Swift Observatory.

Pour finir, ce sont les observations dans le visible de 500 GRB qui ont été passées au peigne fin et il s'est avéré que les courbes de lumière de 179 d'entre eux possédaient des caractéristiques permettant de s'en servir comme chandelle standard. Comme les GRB sont particulièrement lumineux, on peut les voir de loin, ce qui permet de sonder l'évolution de la vitesse d'expansion de l'Univers observable jusqu'à il y a plus de 11 milliards d'années dans le passé.

Un exemple de courbe de luminosité d'un GRB. L'équipe de chercheurs s'est concentrée sur 179 GRB avec un « plateau » dans lequel la luminosité reste presque constante après le pic très transitoire de l'émission dans le visible du GRB. Ils ont examiné la relation entre trois paramètres : la luminosité maximale du GRB, la luminosité à la fin du plateau et la durée du plateau. © Maria Dainotti et al.

Un résumé de la découverte avec les GRB. 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 ». © Kamil Kalinowski, Delina Levine, Sam Young, Maria Dainotti

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