Dossier : Sursaut gamma : coup de feu dans l`Univers
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Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences 02/02/2010-Par StéphaneBasa,astrophysicien Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Si, comme dans les films de science-fiction, mais contrairement aux lois de la physique, le son se propageaitdanslevide,notreUniversrésonneraitsansfindegigantesquesdéflagrationssurgissantde sesconfins.Lagrandemajoritédecesdéflagrationssontleproduitdel’agonied’étoilestrèsmassives mettantenjeudesénergiesabsolumentconsidérables.Cephénomène,lessupernovae,peutlibéreren moinsd’unesecondeuneénergieéquivalenteàl’énergiefournieparplusieursmilliersd’étoilesaucours deplusieursmilliardsd’années. Page1/9-Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Si, comme dans les films de science-fiction, mais contrairement aux lois de la physique, le son se propageaitdanslevide,notreUniversrésonneraitsansfindegigantesquesdéflagrationssurgissantde sesconfins.Lagrandemajoritédecesdéflagrationssontleproduitdel’agonied’étoilestrèsmassivesmettanten jeu des énergies absolument considérables. Ce phénomène, les supernovae, peut libérer en moins d’une seconde uneénergieéquivalenteàl’énergiefournieparplusieursmilliersd’étoilesaucoursdeplusieursmilliardsd’années. Vued'artisted’unsursaut-gammalong.Unebonnepartiedel’énergieestémisedansdeuxjetsrelativement étroits (crédit:NASA/Swift/MaryPatHrybyk-KeithetJohnJones). Depuislatroublanteetinattendueobservationdesatellites-espiondurantlaGuerreFroide,unenouvelle catégorieestapparuedanscebestiaireeffroyable:lessursautsgamma.Contrairementauxsupernovaequi illuminent le ciel pendant des jours, la principale trace que nous en avons est une formidable bouffée de photons detrèshauteénergie,boufféequidanscertainscasnedurequ’unefractiondeseconde.Lacompréhensionultime du mécanisme mis en jeu est encore à élaborer, mais les sursauts-gamma apparaissent déjà comme le phénomèneleplusviolentdepuislaformationmêmedenotreUnivers,phénomèneliéàl’effondrement,puis àl’explosion,d’uneétoileplusde20foisplusmassivequenotreSoleiletquidonnenaissanceàuntrounoir. C’estl’étonnant,maisfabuleux,destindecessursautsgammaquenousallonsconteraucoursdedossier! Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page1/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences Page2/9-L'Histoirepeutréserverbiendessurprises Aussi paradoxal que cela puisse paraître,la rivalité entre les Américains et les Soviétiques au cours de la fameuse«guerrefroide» futàl’origined’untrèsgrandnombredeprogrèstechniquesetscientifiques. Laplusgrandedecesavancéesfutnaturellementlaconquêtedenotresatellitenaturel,laLune,dontonvientde fêterle40ièmeanniversaire. Une autre découverte scientifique, bien moins connue, fut également le fruit de cette compétition incessante. L’histoire débute en 1963 par la signature d’un traité interdisant les essais nucléaires dans l’atmosphère terrestre,leNuclearTestBanTreaty. Afin de contrôler son application, les USA dédièrent à cette tâche une catégorie de satellites militaires, les Vela, capables de détecter une émission dans le domaine des rayons γ , révélatrice d’une possible explosion clandestine. Or, au début des années 70, ces satellites commencèrent à observerrégulièrementdesflashesémisdanscedomaine,flashesqu’onbaptisaalorssursauts-gamma (GammaRayBurstsenanglais),quinevenaientnidelaTerre,nidenotreSoleil. Cliquezpouragrandirl'image-Pagedecouverturedel’articleparudansunerevuescientifiquefaisantétat deladécouvertedeflashesparticulièrementintensesderayonsgammadontl’originen’estniterrestreni solaire! Page3/9-Lagrandecontroverse CommeceluiquieutlieuaudébutduXXesiècleentrelesastronomesH.D.CurtisetH.Shapleyàpropos delanature«extra-galactique»desnébuleusesobservéesdanslecieletcataloguéesparC.Messier,la nature«locale»ounondecessursauts-gammaseposaimmédiatementetfutl’objetd’undébattrès intensependantplusieursdécennies. Certainspensaientvoirl’originedessursautsdansdesobjetsdusystèmesolaire.D’autressuggéraientdes astresdenotreGalaxie:soitdansleplandecelle-ci,soitdistribuésuniformémentdanssonhalo.Enfin,quelques avocats,bienpeurares,plaidaientpouruneorigineextragalactique. L’enjeuétaitdetaille:plusladistancedel’objetétaitgrande,plusl’énergiecrééedevaitêtreconsidérablepour expliquerlesobservations.Lestenantsd’uneoriginecosmologiquen’étaientdoncpastrèsnombreux.Eneffet,s’ils Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page2/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences seproduisaientàdesdistancesconformesàcettehypothèse,lessursauts-gammadevenaientalorslesobjetsles plusénergétiquesjamaisobservésdepuislaformationmêmedenotreUnivers! Imagedusursaut-gamma(petitpointrougeaucentre)lepluslointainjamaisobservéàcettedate(obtenue parl'instrumentGRONDinstallésurletélescopede2.2mètresduMPEàLaSilla,Chili).Lalumièreavoyagé environ13milliardsd’annéesavantdenousparvenir! La question ne fut définitivement tranchée qu’un quart de siècle plus tard, en 1997. Grâce à une observationdusatelliteitalo-hollandaisBeppoSax,ilfutpossibled’observerunsursautdansunautredomaineque les rayons gamma, celui des rayons X, ce qui permit de mesurer très précisément sa distance suite à une remarquable cascade d’observations. Le verdict fut sans appel : ce sursaut se situait à une distance « cosmologique»,àenviron8milliardsd’années-lumièredelaTerre! Depuiscettedate,plusieurscentainesdemesuresontdéfinitivementconfirmécerésultat. Actuellement lerecordestdétenuparunsursautdétectéle23avril2009. Il s’agit de l’astre le plus vieux jamais observé (bien plus âgé que la plus lointaine galaxie actuellement connue) ; l’Univers n’avait que 600 millions d’années lorsquecephénomèneseproduisit.Vudel’autrecôtédelalorgnette,lalumièreamisplusde13milliardsd’années avant de parvenir jusqu’à nous.NotrepropreGalaxie,etencoremoinsnotreSoleil,n’existaientlorsquece sursautapparut! AliresurFutura-Sciences:unsursautgammapulvériselerecorddesexplosionscosmiques> Page4/9-Auxportesdel’enfer Leresponsabledecesprodigieuxflashescélestesestrestécachéauxyeuxdesscientifiquespendantde nombreusesdécennies.Pourparveniràledécouvrir,ilfallaitdoncrésoudreleproblèmedeladistance, mais également étudier les propriétés de ce phénomène afin d’identifier les indices laissés immanquablementparl’artificiercosmique. Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page3/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences 1-Tousdifférents… Comme toujours, les choses se compliquent dès qu’on entre dans les détails (avant de naturellement se simplifier parlasuite!).Eneffet,l’étudedusignalémisparungrandnombredesursautsmontreunetrèsgrandevariétéde comportementsd’unsursautàl’autre.Cesvariationssontunepremièreindicationquel’astreauseinduquelagitle processusàl’originedecetteboufféedephotonsdegrandeénergieestextrêmementcompact.Parcontre,cette trèsgrandediversitéempêcheleclassementdessursautssurlaseulebasedeleurstructuretemporelle. Cliquezpouragrandirlescourbes-Exempledecourbesdelumière(évolutiondunombredephotonsdétectés aucoursdutemps)observéesparl’instrumentBATSEàborddusatelliteCGRO.Onconstateimmédiatement unetrèsvariationdanslaformedusignalobservé! On y parvient malgré tout en considérant l’intervalle de temps durant lequel 90 % des photons sont détectés, et cepourl’ensembledessursautsconnus.Danscecas,ladistributiondecesduréesestclairementrépartieendeux familles distinctes.Cette propriété particulièrement intrigante conduisit à une classification des sursauts endeuxcatégories: - Les sursauts longs, pour lesquels la durée d’émission est supérieure à deux secondes et qui représentent environlestrois-quartsdesévénements. -Lessursautscourts,pourlesquelsladuréed’émissionestinférieureàdeuxsecondes. Il faut avouer que ce résultat a profondément troublé la communauté scientifique lors de sa découverte au cours desannées90.Iln’étaitpasfaciledetrouverunmécanismeexpliquantunetelledistributionbimodaleetildevenait alorstentantdefaireappelàdeuxoriginesdistinctes. 2-…Maisavecbiendespointscommuns L’enjeu était donc désormais d’identifier la nature exacte de l’astre (le progéniteur), ainsi que la manière dont il a évoluéavantd’aboutirauphénomènedesursautobservé.Unélémentderéponsefutapportéenétudiantl’énergie émise,quiexcède1043Joules,soitl'équivalentdel’énergiedissipéeparuneétoilecommenotreSoleilenunmilliard d’années.Lesiègedecetteactivitéestparailleursextraordinairementcompact,commeindiquéparlatrèsgrande Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page4/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences variabilité du flux de rayonnement sur des échelles de temps aussi courtes que la milliseconde. Le seul astre suffisamment compact pouvant convertir efficacement une importante quantité de matière en rayonnement est… untrounoir!Maispourformeruntelastre,lessursautscourtsetlongsvontdevoirsuivredescheminsdistincts. Ainsi,l’hypothèseactuellementfavoritepourlaformationdessursautscourts est basée sur la fusion ou coalescencedesystèmesbinairesd’objetscompacts,naineblancheouétoileàneutron.Spiralantsanscessel’un vers l’autre, ces deux objets vont finir par entrer en collision et former un trou noir unique, la masse du système alors constitué permettant en effet la formation d’un tel objet. Une énergie formidable va à cette occasion être libérée en un temps extrêmement court sous la forme de deux pinceaux (ou jets) très étroits émis dans deux directions opposées, comme pour la lumière d’un phare. Ces jets sont composés de matière se propageant à une vitesse proche de celle de la lumière baignant dans un rayonnement électromagnétique particulièrement intense, onparlealorsde«jetrelativiste». L’observationdesursautslongsassociésàdesétoilesenfindevie,dessupernovae,apermisquantàellederelier ce phénomène aux stades ultimes et explosifs de l’évolution stellaire des étoiles les plus massives. Ces étoiles, dont la masse dépasse de 20 à 30 fois celle de notre Soleil, achèvent immanquablement leur vie en trou noir. Ce dernier grossit très rapidement en avalant la matière environnante et en émettant simultanément deux jets relativement étroits, de l’ordre de quelques degrés d’ouverture, dans deux directions opposées. Une fois créé, la difficultépourlejetvaêtredesortirdel’enveloppeextrêmementmassivedelasupernovaafindecréerlesursaut qu’on observe.Pouryparvenir,uneénergieconsidérabledoitêtreinjectéedanscesjets,plusde1043 J pendantaumoins10secondes,soitl’équivalentdel’énergiedissipéeparnotreSoleilduranttoutesavie, enunepoignéedesecondes! Danslecascontraire,lejetn’apasassezdepuissanceetlesursautavortera,conduisantalorsàunesupernova classique. Il semblerait toutefois que toutes les étoiles massives ne produisent pas de sursaut, mais que par contre,touslessursautsproduisentunesupernova.Lesraisonsquiconduisentuneétoilemassiveàunsursautne sontpasencoreclairementcomprisesetsontlesujetd’unediscussionviveetpassionnéeparmilesspécialistesdu domaine. Une fois le jet créé, soit par la coalescence de deux astres compacts (sursaut court), soit par l’effondrement sur elle-mêmed’unetrèsgrosseétoile(sursautlong),desmécanismesextrêmementviolentsvonts’yproduire,cequi donnera naissance au phénomène que l’on connaît. À partir de ce moment, les sursauts longs et cours vont connaîtreunehistoiretrèssimilaire! Schémadeprincipedelaformationd’unsursaut-gammalong.Leprogéniteurestuntrounoirstellaire fraîchementforméparl’effondrementd’uneétoilemassive.Lesdeuxjetsainsiforméssontlesiègede Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page5/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences mécanismesparticulièrementviolentsconduisantnotammentàl’émissiond’unrayonnementgammatrès intenseàl’originedunomduphénomène(crédit:NicolleRagerFuller/NS). Lamatièredanslejetesteneffetrépartiedansdescoquilleséjectéesavecdesvitessesdifférentes,bienquenon négligeables par rapport à celle de la lumière. Lorsqu'une coquille finit par en rattraper une autre, un choc se produitquiconduitàuneaccélérationdesélectronsprésentsdanslepinceaudematière.Cesparticuleschargées vont alors produire une émission dans un domaine spectral extrêmement large, allant des rayons gamma, aux rayons X et au visible. Plusieurs chocs internes peuvent naturellement avoir lieu, ce qui conduit à la très grande complexitéobservéedanslescourbesdelumière. Le jet, au cours de son expansion, va également balayer le matériau environnant l’astre à l’origine du sursaut. Cet environnement peut être, soit le milieu interstellaire, soit la matière précédemment expulsée par l’étoilegénitrice(ses couches les plus externes par exemple). Le jet est alors freiné par ce milieu et les électrons vont là aussi émettre un rayonnement couvrant un domaine spectral extrêmement large (des rayons-X, au visible etenradio). Page5/9-Chauddevant Il n’est pas facile d’appréhender les quelques chiffres énoncés au chapitre précédent. L’essentiel est alorsderetenirquecesphénomènessontincroyablementénergétiques.Unexempleextrêmeestdonnépar un sursaut qui fut détecté le 19 mars 2008. Cet objet situé à plus de 7 milliards d’années lumières a été visible à l’œil nu pendant quelques secondes. L'objet le plus éloigné observable à l’œil nu était jusqu’alors la galaxie M33, situé à « seulement » 2,9 millions d'années-lumière de la Terre. Ce sursaut fut ainsi 2,5 millions de fois plus lumineux que la supernova la plus puissante connue, ce qui en fait l’objet intrinsèquement le plus brillant jamaisétudiéparl'hommedansl'Univers! Imagedusursautdu19mars2008,observableàl’œilnu,obtenue(aucentre,projetPioftheSky). Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page6/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences Il est dès lors aisé de comprendre qu’il ne serait pas vraiment souhaitable qu’un sursaut se produise dans notre propregalaxie,etquel’axedesonjetaitlamauvaiseidéedepointerendirectiondelaTerre.Danscecasprécis, lefluxderayonsXetγ seraittellementimportantquelacouched'ozones’entrouveraitdétruite,supprimantainsi le bouclier qui nous protège de la partie néfaste du rayonnement du Soleil. La vie sur Terre serait alors très fortement compromise (certains pensent même qu’un sursaut-gamma pourrait bien être à l’origine d’une des nombreuses extinctions massives que la Terre a connu). Heureusement,onneconnaîtquequelquesétoiles susceptiblesdefinirainsi,dontEtaCarinaesituéàenviron8000années-lumièredenotreplanète,maisle sursisestencorelongetlaprobabilitéquelejetpointedansnotredirectionfaible. Imaged’EtaCarinaeobtenueparlessatellitesHST(dansledomainevisible)etXMM(dansledomainedes rayonsX).Cetastrepourraitbiendonnernaissanceàunsursaut-gammadanslestadeultimedesavie. Page6/9-Voirlespremièresétoilesuneparune Comprendrel’enfancedel’Universestunechosebienardueenraisondesdistancesmisesenjeuetdonc de l’incroyable faiblesse du signal laissé par les premiers astres. La tentation est alors très grande d’utiliser les phénomènes les plus énergétiques du Cosmos, les sursauts-gamma. Les applications en cosmologienefontenréalitéquedébuter,maisunedesplusprometteusesestlarecherchedestoutes premièresétoilesforméesdansnotreUnivers,lafameusePopulationIII. Très massives, plusieurs centaines de masses solaires, c’est leur fin rapide (seulement quelques millions d’années) qui produira le premier enrichissement du milieu interstellaire puisque ces étoiles auront synthétisé les éléments jusqu’au Fer (le Big-Bang a essentiellement formé de l’hydrogène et un peu d’hélium, les autres éléments étant synthétisésparlasuiteaucœurdesétoilesdesgénérationssuccessives).LesétoilesdePopulationIIseforment Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page7/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences ensuitesurles«cendres»decespremièresétoiles.Lecyclesereproduitsurdesmilliardsd’annéespourqu’enfin laPopulationI,dontleSoleilestunreprésentant,héritedesgénérationspassées. À ce jour, aucune étoile de Population III n’a été découverte sans équivoque et leur existence est pour l’instant pure conjecture. Mais, il faut bien qu’il y ait eu une première génération pour que les suivantes existent avec les propriétés qu’on leur connaît.Unedesraisonsprobablesdecettefailledanslerecensementcosmiqueest qu’il s’agit d’étoiles à la fois très vieilles et à la durée de vie extrêmement courte, moins d’un million d’années. Elles n’ont pas laissé de traces dans l’Univers actuel et il est nécessaire de les rechercher à grand décalage spectral. Pour cela, il nous faudra soit des instruments extrêmement performants, comme le sera le James Webb Space Telescope (JWST), futur successeur du télescope spatial Hubble, soit (ou les deux bien sûr) observer des astres comme les sursauts-gamma qu’on espère détecter dans la décennie à venir jusqu’à des décalages vers le rougede10–15,etquiapparaissentdonccommedesprétendantssérieuxautitre.L’avantageextraordinairede cetteméthodeseraalorsdevoircespremièresétoilesuneparune! Page7/9-SWIFT:recherchesursautdésespérément… L’atmosphère terrestre, en absorbant efficacement les photons gamma, protège la vie de ce rayonnement nocif, mais empêche également les astronomes de découvrir les sursauts depuis le sol. Pourmeneràbienleurtâche,lesastronomesdoiventdoncnécessairementlancerdessatellitesafinde s’affranchirdecetteatmosphère. La mission la plus importante actuellement en service est sans conteste le satellite SWIFT lancé en novembre2004parlaNASA.Lessursautspouvantprovenirden’importequellezoneduciel,ilesttoutd’abord Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page8/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences nécessaire d’en surveiller une très grande zone, typiquement plus de 5 000 degrés carrés du ciel, soit 1/8ième du ciel, à l’aide d’un télescope fonctionnant dans le domaine du rayonnement gamma. La spécificité de SWIFT est qu’une fois la détection faite, il pointe automatiquement dans la direction du sursaut, etcela en seulement quelquesminutes,unautretélescopeopérantdansledomaineX. L’observationdanscedomained’énergievaalorspermettrederéduirel’incertitudesurlapositiondel’émissionsur la voûte céleste (rappelons que les photons γ sont difficiles à focaliser, d’où une incertitude élevée sur leur directiond’origine).Grâceàcetteprouessetechnique,ilestpossibledelocalisertrèsrapidementunsursautavec uneétonnanteprécision,deseulementquelquescentièmesdedegrés.LesatelliteSWIFTreprendainsilastratégie d’observationquiavaitfaitlesuccèsdusatelliteitalo-hollandaisBeppo-Saxàlafindesannées90. Vued’artistedusatelliteSWIFTactuellementenservice. Depuisl’été2008,lesatelliteFERMIcomplèteavantageusementlesobservationsmenéesparSWIFT.Grâceàune instrumentationtrèsparticulière,héritièredesdéveloppementsmenésauprèsdesaccélérateursdeparticules,ilest eneffetcapablededétecteretsurtoutd’observerlessursautsdansundomained’énergiebiensupérieureàcelui deSWIFT. Depuissonlancement,SWIFTestremarquablementefficace.Ildétecteetobserveenviron90sursauts par an. On lui doit en particulier la preuve que des sursauts-gamma peuvent se produire à des distances considérables, le record actuel étant situé à un décalage vers le rouge de 8.2, comme nous l’avons vu précédemment. Un autre résultat particulièrement marquant est lié à la compréhension des sursauts courts : ces derniers semblent bel et bien liés à la coalescence d’objets compacts, tels que des trous noirs ou des étoiles à neutron.Àmoinsd’uneavariemajeuresurlesatellite,cequin’estnaturellementjamaisàexclureaveccetypede projets,SWIFTdevraitfonctionnerencoreplusieursannées,jusqu’àl’arrivéed’undignesuccesseur. Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page9/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences Page8/9-Lefutur:lesatelliteSVOM Tout en exploitant les instruments existants, il est naturel de préparer de nouveaux projets tenant comptedesavancéesencours.Partantdelaconstatationquelesprogrèslesplusremarquablesaccomplisces dernièresannéesdanscedomainesontlaconséquenced’unetrèsgrandesynergieentrelesinstrumentsspatiaux (permettant la détection et la localisation des sursauts) et les instruments au sol (apportant la mesure de la distanceetl’identificationdesgalaxieshôtes),unprojettrèsambitieuxdesatelliteavulejourentrelaFranceet la Chine,le satellite d’observation SVOM. Ce programme s’articule autour de deux grands axes de recherche particulièrementprometteurs:lacompréhensionduphénomèneetleurutilisationencosmologie. Vued’artistedusatelliteSVOMencoursdedéveloppemententrelaFranceetlaChine(imageCNES). Grâceàunecombinaisonuniqued’instrumentsspatiauxetterrestres,cesatellitedevraitêtrecapabled’étudierles sursautsdansuntrèslargedomainespectralallantdesrayonsgammasaudomainevisibleetauprocheinfrarouge. Grâceàcettesynergie,ilpourranotammentobserverlestoutespremièresétoilesforméesdansnotre Univers,lafameusepopulationIII,àuneépoqueoùcedernieravaitmoinsde500millionsd’années.Maiscomme toujours,ilfaudraêtreunpeupatient:lamiseenservicedecesatelliten’auralieuqu’en2014. Page9/9-Sursautgamma:bibliographie •«L’UniversdanstoussesEclats»,AlainMazureetStéphaneBasa,Dunod. •«ExplosionsCosmiques»,JacquesPaul,Ellipses. •SWIFT:http://www.nasa.gov/mission_pages/swift/main/index.html •SVOM:http://www.svom.fr/ Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page10/11 Dossier>Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers Futura-Sciences Vued'artisted’unsursaut-gammalong.Unebonnepartiedel’énergieestémisedansdeuxjetsrelativement étroits(crédit:NASA/Swift/MaryPatHrybyk-KeithetJohnJones). Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursautgamma-coup-feu-univers-903/ Page11/11
