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 130427A par les satellites Fermi et Nustar, sans remettre totalement en cause cette explication, ne cadrent pourtant pas avec une partie du mécanisme d'émission des rayons gamma avancé par les astrophysiciens théoriciens.
Cela vous intéressera aussi

Comme son nom l'indique, le sursaut gamma GRB 130427A a été observé sur TerreTerre le 27 avril 2013. Il s'agissait d'un sursaut gamma long, mais il s'est révélé hors du commun à plus d'un titre. C'est l'un des plus brillants sursautssursauts gamma connus à ce jour, et parmi les sursauts gamma longs, l'un des plus proches avec une distance à la Voie lactéeVoie lactée estimée à seulement 3,8 milliards d'années-lumièreannées-lumière.

Comme pour la grande majorité des sursauts gamma, on pense qu'il a résulté de l'effondrementeffondrement du cœur d'une étoileétoile massive en trou noirtrou noir. L'astreastre compact s'est mis à former un disque d'accrétiondisque d'accrétion autour de lui, à l'intérieur même de l'étoile, ce qui a conduit à la formation de deux jets de matièrematière relativistes qui ont percé la surface de l'étoile avant qu'elle n'explose en donnant une hypernovahypernova.


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. © Nasa's Goddard Space Flight Center, YouTube

Un à deux sursauts gamma longs proches par siècle

Il semble que les sursauts gamma longs étaient plus fréquents dans le passé de l'universunivers observable, de sorte que l'observation de GRB 130427A à seulement quelques milliards d'années-lumière doit être un événement rare. Un tel phénomène se produit une à deux fois par siècle, et les astrophysiciensastrophysiciens s'estiment particulièrement chanceux d'avoir pu l'observer si tôt, surtout qu'ils disposent maintenant d'outils pour les étudier. Localisé dans la constellation du Lionconstellation du Lion sur la voûte céleste, GRB 130427A a d'abord été repéré par les deux satellites dédiés à l'astronomie gamma dans l'espace, Fermi et Swift.

Prévenus, les instruments du système Rapid Telescopes for Optical Response (Raptor) ont détecté un flashflash lumineux dans le visible associé à GRB 130427A d'une magnitudemagnitude 7. On ne connaît qu'un seul sursaut gamma plus brillant dans le visible encore aujourd'hui. Dans les heures qui ont suivi est aussi entré dans la danse le nouveau télescopetélescope à rayons Xrayons X de la NasaNasa, Nuclear Spectroscopic Telescope Array (Nustar).

Les observations réalisées ont été riches en enseignements, car ce sont pas moins de cinq articles, dont plusieurs sont disponibles sur Science et arxiv, qui ont été écrits par les chercheurs. En effet, GRB 130427A laisse les astrophysiciens perplexes. Selon les modèles courants introduits pour rendre compte des émissions gamma d'un tel sursaut, il y a deux types d'ondes de choc associées aux jets relativistes qui permettent d'expliquer la forme du spectrespectre dans le domaine gamma avec un sursaut long.

Le modèle standard des sursauts gamma longs fait intervenir la formation d'un disque d'accrétion autour d'un trou noir né dans une étoile massive, comme montré sur la gauche du schéma. Deux types d'ondes de choc (<em>shock wave</em>) sont produits, à l'intérieur du jet avec des coquilles (<em>shells</em>) de matière en collision, et à l'extérieur du jet. Les chocs externes produisent des rayons gamma plus énergétiques que les chocs internes, ainsi que des émissions dans les domaines des ondes radio et des rayons X. © <em>Nasa's Goddard Space Flight Center</em>

Le modèle standard des sursauts gamma longs fait intervenir la formation d'un disque d'accrétion autour d'un trou noir né dans une étoile massive, comme montré sur la gauche du schéma. Deux types d'ondes de choc (shock wave) sont produits, à l'intérieur du jet avec des coquilles (shells) de matière en collision, et à l'extérieur du jet. Les chocs externes produisent des rayons gamma plus énergétiques que les chocs internes, ainsi que des émissions dans les domaines des ondes radio et des rayons X. © Nasa's Goddard Space Flight Center

Deux mécanismes de production des photons gamma

La partie du spectre correspondant à des photonsphotons gamma de l'ordre du million d'électronvolts (MeV) proviendrait de chocs dits internes, alors que les photons gamma de l'ordre du GeVGeV seraient issus des chocs dits externes. Dans le premier cas, les chocs sont produits par la collision de paquetspaquets de matière voyageant à des vitessesvitesses différentes à l'intérieur des jets émis par le trou noir à l'origine de l'hypernova. Les plus rapides finissent par rattraper les plus lents, qui ont été produits avant eux. Dans le second cas, c'est la rencontre et la propagation dans le gazgaz du milieu interstellaire des jets de matière qui provoque la formation d'ondes de choc.

Or, d'après les prévisions des théoriciens, les émissions dans le visible devaient être liées à l'occurrence des émissions gamma dans le domaine des MeV. Ce n'est pas du tout ce qui a été observé, car le pic des émissions mesurées par Raptor a coïncidé avec celui des émissions gamma dans le domaine du GeV mesuré par Fermi. Des photons de 95 GeV ont même été détectés, les plus énergétiques jamais mesurés pour un sursaut long. Il faut en conclure que les émissions dans le visible sont en fait causées par les ondes de choc externes. Malheureusement, il n'existe aucun modèle physiquemodèle physique qui expliquerait ces observations. Pour couronner le tout, Fermi a permis de découvrir que GRB 130427A était resté brillant pendant une vingtaine d'heures, ce qui est une duréedurée bien plus longue que celles déjà observées pour des sursauts gamma longs.

Il est trop tôt pour en conclure qu'il est nécessaire de rejeter entièrement le modèle de l'hypernova avec un trou noir pour rendre compte des sursauts gamma longs. Mais clairement, une révision des mécanismes à l'origine des émissions dans le visible et dans le domaine des photons gamma est nécessaire.