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Les Sursauts Gamma: observations

Dossier - Les Sursauts gamma et les trous noirs
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Une intéressante approche du problème actuel des sursauts gamma, avec l'exposé des principales hypothèses quant à leur origine.

  
DossiersLes Sursauts gamma et les trous noirs
 

L'observatoire CGRO (Compton Gamma Ray Observatory) lancé par la NASA en 1991 avec parmi ses instruments BATSE (Burst and Transient Source Experiment - http://www.batse.com) pour les ondes gamma et ROTSE (Robotic and Optical Transient Search experiment) ont permis d'élaborer des catalogues de BATSE GRBs (R.Preece et al 2000). Certains GRB peuvent avoir une contrepartie dans les rayons optiques tellement lumineuse que l'on pourrait l'observer dans le ciel de nuit avec une simple paire de jumelles. Le CGRO a cessé d'observer le 26 mai 2000 et est retourné à la terre le 3 juin 2000 dans l'Océan Pacifique.

BACODINE (Batse Coordinates Distribution Network) a transmis les coordonnées de GRBs en secondes à des dizaines de sites dans le monde (télescopes terrestres). Réf 10. Voir http://lheawww.gsfc.nasa.gov - fichier baco_describe.htm

Un réseau consisterait donc du CGRO avec des instruments BATSE et EGRET ; aussi des satellites Beppo-Sax, DMSP (« militaires », proches de la Terre), Ulysse (loin au-dessus du plan du Système Solaire, lancé 1990, avec un instrument pour GRB), Wind (orbite autour du Soleil). Et du nouveau avec Hete2, GLAST, Newton-XMM, axaf et SXG.

La distribution des GRBs est isotrope. Est-elle homogène ? Trouve-t-on la même densité de sources GRB à des distances de la terre différentes? Depuis 1997 la réponse semble être oui. Le satellite italo-néerlandais Bepposax (qui observe les rayons X) a observé des sources GRB fortement décalées vers le rouge.

L'âge des GRB est cosmologique ~ 3-10 E9 années lumières (réf 10). Par exemple on a obtenu une distance 7E9 années lumières du décalage vers le rouge dans l'après lueur d'un GRB traversant un nuage dans la ligne de vue et produisant des raies d'absorption dues au Fe et Mg. (Télescope Keck II de Hawaii).

Fishman a aussi considéré les caractéristiques spectrales (spectral line features) dans le GRB original, peut-être le résultat de lignes cyclotron produites dans l'intense champ magnétique d'une étoile à neutrons qui pourrait être la raison du GRB. (réf 7)

Un groupe de la NASA/Goddard considère aussi les effets de la dilatation du temps: les bursts plus lointains sont plus faibles et récèdent plus vite. La cosmologie standard dit que les bursts plus lointains sont étirés/allongés plus dans le temps (relativité), donc il y aurait dilatation de la longueur d'onde lambda : bursts faibles allongés dans le temps et plus décalés vers le rouge.

Pour des images de GRB voir le site http://cossc.gsfc.nasa.gov/cossc/outreach/images/grbs/

3. "Afterglows" (l'Émission rémanente/ la Contrepartie du sursaut)

3.1 Le contrecoup/l'après lueur des GRB dans les ondes X, optique, radio s'étale de quelques jours (X) à quelques mois (radio). Il confirme par son décalage Doppler-Fizeau les origines très lointaines des GRB. Il est à noter que les afterglows sont relativement très faibles.
De futures missions permettront d'analyser plus les GRB, par exemple la INTEGRAL (International Gamma Ray Astrophysics Laboratory) de l'ESA (Agence Spatiale Européenne). Voir http://www.astro.estec.esa.nl. L'observation des rayons Gamma/X/UltraViolet cosmique/sursauteurs sont fait au-dessus de l'atmosphère de la terre à cause de l'absorption. (Shu 1982). L'on a dit que faire l'astronomie de la terre est comme écouter de la musique sans les hautes et basses fréquences-on ne reconnaît pas la musique. Au-dessus de l'atmosphère on a le spectre entier. Voir aussi réf 2, p 732
Ou encore une citation: Newton 6, p177: "Pourquoi les rayons gamma ne réussissent pas à arriver sur la terre contrairement aux plus faibles radiations lumineuses? RÉPONSE: Les rayons gamma sont masqués car ce sont des ondes électromagnétiques dotées de l'énergie juste pour mettre en oscillation les molécules de gaz qui forment notre atmosphère. Au contraire les rayons lumineux plus faibles peuvent gagner la superficie terrestre sans rester pris dans notre coquille gazeuse." (l'auteur de cet article pense que cette question n'est pas résolue)
Le 9 octobre 2000 la NASA a lancé HETE-2 (High Energy Transient Explorer-2)(magazines Sky and Telescope janv. 2001 et Astronomy janv. 2001) dédié à l'observation des GRB, la localisation de leur direction d'arrivée et alertant la communauté astronomique. Il y aurait aussi 2 caméras-une sensible aux rayons X de basses énergies et une à l'optique.

3.2 AGILE

L'ASI (l'Agence Spatiale Italienne) a proposé une mission scientifique à bas coût: explorer le ciel aux hautes énergies. AGILE (Astrorivelatore Gamma ad Immagini L'Eggero) se concernera avec l'astrophysique des rayons gamma, une des nouvelles branches de l'astronomie moderne; développée dans l'ère spatiale car les photons gamma ont besoin d'être collectés au-dessus de l'atmosphère En plus ces photons de très hautes énergies doivent être détectés avec des instruments dérivant directement de la physique des particules, qui n'ont rien à voir avec les instruments classiques de l'astronomie. Les photons gamma n'obéissent pas à l'optique géométrique; ils ne peuvent pas être réfléchis ou focalisés mais doivent être détectés avec un instrument capable de mesurer leur énergie et direction d'arrivée. Le télescope du satellite AGILE aura un détecteur semiconducteur, un calorimètre et un détecteur pour rayons-X. Ce satellite italien pourra travailler sur tous les thèmes classiques de l'astronomie gamma: l'émission diffuse galactique, les pulsars, les AGN. Les données obtenues pourront être utilisées par toute la communauté astrophysique internationale. La technologie de AGILE comme l'alimentation d'énergie, la télémétrie (dialogue avec la station terre) est développée. Voir http://www.ifctr.mi.cnr.it/Agile
AGILE donc sera pour 2002-2005 et après et pour les énergies de 30 Mev-50Gev (gamma). Il pourra travailler sur l'origine des GRB, sur des sources du disque galactique non-identifiées, les AGNs, etc.
Dans les années 90 avec EGRET sur le CGRO l'astronomie des hautes énergies a été riche mais maintenant il peut avoir un vide. Le GLAST, le prochain grand observatoire de la NASA dédié à l'astronomie gamma, est prévu d'être lancé fin 2005 et la mission européenne INTEGRAL sera à partir de 2002 mais sera pour des énergies plus basses.

3.3 Un peu de théorie pour l'astronomie gamma
(réf : "All' estremo Orizzonte dell'Universo")
L'univers présente beaucoup de sources cosmiques capables d'accélérer très efficacement les particules qui émettent les rayons gamma. Contrairement aux "rayons cosmiques" (typiquement un flux de protons) qui sont chargés et déviés par les champs B, les photons ( le mot photon vient du grec signifiant lumière ) de hautes énergies ne sont pas déviées et donc sont beaucoup mieux pour localiser l'objet céleste source. Eg: énergies de Mev -100's de Gev (gamma). L'astronomie gamma se présente comme le meilleur moyen, parfois le seul, pour découvrir et étudier les phénomènes galactiques et extra-galactiques qui jouent un rôle clef dans l'évolution de l'univers, et qui racontent la mort d'une étoile, les émissions des noyaux galactiques actives ou les violentes explosions de rayons gamma ("i lampi gamma cosmici" = les Gamma Ray Bursts). Un télescope pour rayons gamma est un instrument similaire aux détecteurs de particules utilisés en physique nucléaire et subnucléaire. CGRO/EGRET a découvert à peu près 300 sources gamma ponctuelles, la moitié non-identifiées. Il a découvert des GRB jusqu'à 20Gev. (10Gev=10¹ºev~10E24Hz).

Quelques mécanismes physiques de production de rayons gamma :

1)synchrotron électron dans champ B émet gamma
2) annihilation de matière et anti-matière e- e+ > gamma d'énergie qui dépend de l'énergie initiale de la paire.
3) collision à haute énergie p avec (p ou noyau) > une variété de particules subatomique > désintégration en gamma (~10-100Mev)
4) désintégration nucléaire-radioactivité naturelle > gamma~Mev (suivant l'élément, et permet d'identifier un élément dans un astro-objet)
5) Effet Inverse Compton: électron énergétique en collision avec photon (eg lumière d'étoile ou CMBR) transfert plus d'énergie au photon (qui devient gamma).
6) rayonnement de freinage (bremstrahlung): e- à haute vitesse ralenti par champ E d'un noyau > photon ~1-100 kev et parfois gamma. Aussi même effet dans champ B.
7)Fusion nucléaire - noyau enfant lourd excité peut désintégrer > gamma caractéristique ~8) Les rayons cosmiques sont parfois responsables pour la production gamma

eg1: l'éclat (flare) solaire du 20 nov.98>rayons cosmiques (p,noyaux lourds,e-) + rayons gamma de quelques 10Mev.
eg2: supernova > rayons cosmiques (plus énergétiques que soleil) (p,noyaux,e-). Le mécanisme est une onde de choque; La shockwave interagit avec la matière restante (remnant matter-débris au tour de l'*) et avec la matière ISM > rayons cosmiques > rayons gamma

Les sources cosmiques de rayons gamma (grosso modo tous des accélérateurs cosmiques de particules) :

Éclats solaires, supernovae, rayons cosmiques.
Pulsars.

Les AGNs -10% des galaxies. Une région centrale de dimension comparable à notre système solaire. Luminosité ~100milliards *. Inclus les QSOs. Un processus central très efficace eg: moteur trou noir avec accrétion de matière. La friction entre les parties de gaz tombantes>échauffement et rayonnement. La plupart du rayonnement est gamma (1E9 ou 100E9ev). La luminosité peut varier d'un jour à l'autre. 10% des AGNs (1% des galaxies) ont des jets - la compréhension de ces jets est un problème non-résolu en astrophysique.Une autre situation est de trouver un trou noir dans un système binaire >accrétion du compagnon et un double jet.
GRS (gamma ray sources) non-identifiées-souvent leur position n'est pas connue avec précision donc l'on n'est pas sûr s'il s'agit de AGN, pulsar, TN...Il est intéressant de noter quelques sources variables dans le plan de notre galaxie qui pourraient constituer une nouvelle classe d'émetteurs gamma outre les AGN et pulsars.
Il est à noter que le problème de comprendre le fond diffus gamma extra-galactique pourrait déboucher sur le problème de la masse manquante obscure (dark matter).

Remarques diverses:

Possibilité de production de couples (paires). Un rayon gamma interagissant avec un noyau atomique lourd peut former un e- et un e+(positron).
L'on dit que les phénomènes énergétiques fournissent l'archéologie de l'univers.

3.4 Extraits d'histoire pour l'astronomie Gamma/X

Satellites Uhuru 1970 et Rosat (Rontgen Satellite) ont examiné pulsars-X et l'absorption X dans L'ISM.

Dans les années mi-70s c'était clair qu'il y avait beaucoup de sources X dans le ciel mais les satellites n'avaient pas pu encore déterminer exactement où elles étaient localisées dans le ciel. Donc la NASA a planifié les High Energy Astronomical Observatories (HEAOs) qui essayeront de résoudre ces objets directement. Le premier, HEAO-1 a été lancé puis HEAO-2 nommé "Einstein" en honneur du 100ème anniversaire de la naissance du scientifique très connu. (Einstein n1879-m1955). (Il y avait aussi un HEAO-3). Dans les 2,5 années suivantes il a augmenté le nombre de sources X jusqu'à plusieurs milles, utilisant le premier télescope capable de focaliser le rayonnement hautement énergétique. La plus importante découverte était que la plupart des étoiles émettent des rayons X, la raison pour l'émission de fond non-identifiée. (réf 11)

1994 spacecraft WIND, USA avec Transient Gamma Ray Spectrometer opérationnel. Consulter wind.htm à http://www-spof.gsfc.nasa.gov 

3.5 Nouveautés

SGR les soft gamma repeaters sont par exemple des sources GRB qui sont en rotation/tournoiement.
AXPs les Anomalous X-Ray Pulsars. Pulsars avec période lente et spectre X doux.
Ex. 1 accrétion sur une * neutron nouvelle du disque.
Ex. 2 magnetar ralenti (post SGR)
Possibilité de voir des GRB par une lentille gravitationnelle. Gerald Fishman, Dieter Hartmann.