Dossier : Sursaut gamma : coup de feu dans l`Univers

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Source:http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/astronomie-sursaut-
gamma-coup-feu-univers-903/
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Sursautgamma:coupdefeudansl'Univers
Si, comme dans les films de science-fiction, mais contrairement aux lois de la physique, le son se
propageaitdanslevide,notreUniversrésonneraitsansfindegigantesquesdéflagrationssurgissantde
sesconfins.Lagrandemajoritédecesdéflagrationssontleproduitdel’agonied’étoilestrèsmassives
mettantenjeudesénergiesabsolumentconsidérables.Cephénomène,lessupernovae,peutlibéreren
moinsd’unesecondeuneénergieéquivalenteàl’énergiefournieparplusieursmilliersd’étoilesaucours
deplusieursmilliardsd’années.
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Si, comme dans les films de science-fiction, mais contrairement aux lois de la physique, le son se
propageaitdanslevide,notreUniversrésonneraitsansfindegigantesquesdéflagrationssurgissantde
sesconfins.Lagrandemajoritédecesdéflagrationssontleproduitdel’agonied’étoilestrèsmassivesmettanten
jeu des énergies absolument considérables. Ce phénomène, les supernovae, peut libérer en moins d’une seconde
uneénergieéquivalenteàl’énergiefournieparplusieursmilliersd’étoilesaucoursdeplusieursmilliardsd’années.
Vued'artisted’unsursaut-gammalong.Unebonnepartiedel’énergieestémisedansdeuxjetsrelativement
étroits
(crédit:NASA/Swift/MaryPatHrybyk-KeithetJohnJones).
Depuislatroublanteetinattendueobservationdesatellites-espiondurantlaGuerreFroide,unenouvelle
catégorieestapparuedanscebestiaireeffroyable:lessursautsgamma.Contrairementauxsupernovaequi
illuminentlecielpendantdesjours,laprincipaletracequenousenavonsestuneformidableboufféedephotons
detrèshauteénergie,boufféequidanscertainscasnedurequ’unefractiondeseconde.Lacompréhensionultime
du mécanisme mis en jeu est encore à élaborer, mais les sursauts-gamma apparaissent déjà comme le
phénomèneleplusviolentdepuislaformationmêmedenotreUnivers,phénomèneliéàl’effondrement,puis
àl’explosion,d’uneétoileplusde20foisplusmassivequenotreSoleiletquidonnenaissanceàuntrounoir.
C’estl’étonnant,maisfabuleux,destindecessursautsgammaquenousallonsconteraucoursdedossier!
02/02/2010-Par
StéphaneBasa,astrophysicien
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Page2/9-L'Histoirepeutréserverbiendessurprises
Aussi paradoxal que cela puisse paraître,la rivalitéentreles Américains etlesSoviétiques aucoursdela
fameuse«guerrefroide»futàl’origined’untrèsgrandnombredeprogrèstechniquesetscientifiques.
Laplusgrandedecesavancéesfutnaturellementlaconquêtedenotresatellitenaturel,laLune,dontonvientde
fêterle40ièmeanniversaire.
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,leNuclearTestBanTreaty. 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
observerrégulièrementdesflashesémisdanscedomaine,flashesqu’onbaptisaalorssursauts-gamma(Gamma-
RayBurstsenanglais),quinevenaientnidelaTerre,nidenotreSoleil.
Cliquezpouragrandirl'image-Pagedecouverturedel’articleparudansunerevuescientifiquefaisantétat
deladécouvertedeflashesparticulièrementintensesderayonsgammadontl’originen’estniterrestreni
solaire!
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CommeceluiquieutlieuaudébutduXXesiècleentrelesastronomesH.D.CurtisetH.Shapleyàpropos
delanature«extra-galactique»desnébuleusesobservéesdanslecieletcataloguéesparC.Messier,la
nature«locale»ounondecessursauts-gammaseposaimmédiatementetfutl’objetd’undébattrès
intensependantplusieursdécennies.
Certainspensaientvoirl’originedessursautsdansdesobjetsdusystèmesolaire.D’autressuggéraientdes
astresdenotreGalaxie:soitdansleplandecelle-ci,soitdistribuésuniformémentdanssonhalo.Enfin,quelques
avocats,bienpeurares,plaidaientpouruneorigineextragalactique.
L’enjeuétaitdetaille:plusladistancedel’objetétaitgrande,plusl’énergiecrééedevaitêtreconsidérablepour
expliquerlesobservations.Lestenantsd’uneoriginecosmologiquen’étaientdoncpastrèsnombreux.Eneffet,s’ils
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seproduisaientàdesdistancesconformesàcettehypothèse,lessursauts-gammadevenaientalorslesobjetsles
plusénergétiquesjamaisobservésdepuislaformationmêmedenotreUnivers!
Imagedusursaut-gamma(petitpointrougeaucentre)lepluslointainjamaisobservéàcettedate(obtenue
parl'instrumentGRONDinstallésurletélescopede2.2mètresduMPEàLaSilla,Chili).Lalumièreavoyagé
environ13milliardsd’annéesavantdenousparvenir!
La question ne fut définitivement tranchée qu’un quart de siècle plus tard, en 1997. Grâce à une
observationdusatelliteitalo-hollandaisBeppoSax,ilfutpossibled’observerunsursautdansunautredomaineque
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»,àenviron8milliardsd’années-lumièredelaTerre!
Depuiscettedate,plusieurscentainesdemesuresontdéfinitivementconfirmécerésultat. Actuellement
lerecordestdétenuparunsursautdétectéle23avril2009.Ils’agitdel’astre leplusvieuxjamaisobservé
(bien plus âgé que la plus lointaine galaxie actuellement connue) ; l’Univers n’avait que 600 millions d’années
lorsquecephénomèneseproduisit.Vudel’autrecôtédelalorgnette,lalumièreamisplusde13milliardsd’années
avantde parvenirjusqu’ànous.NotrepropreGalaxie,etencoremoinsnotreSoleil,n’existaientlorsquece
sursautapparut!
AliresurFutura-Sciences:unsursautgammapulvériselerecorddesexplosionscosmiques>
Page4/9-Auxportesdel’enfer
Leresponsabledecesprodigieuxflashescélestesestrestécachéauxyeuxdesscientifiquespendantde
nombreusesdécennies.Pourparveniràledécouvrir,ilfallaitdoncrésoudreleproblèmedeladistance,
mais également étudier les propriétés de ce phénomène afin d’identifier les indices laissés
immanquablementparl’artificiercosmique.
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1-Tousdifférents…
Commetoujours,leschosessecompliquentdèsqu’onentredanslesdétails(avantdenaturellementsesimplifier
parlasuite!).Eneffet,l’étudedusignalémisparungrandnombredesursautsmontreunetrèsgrandevariétéde
comportementsd’unsursautàl’autre.Cesvariationssontunepremièreindicationquel’astreauseinduquelagitle
processusàl’originedecetteboufféedephotonsdegrandeénergieestextrêmementcompact.Parcontre,cette
trèsgrandediversitéempêcheleclassementdessursautssurlaseulebasedeleurstructuretemporelle.
Cliquezpouragrandirlescourbes-Exempledecourbesdelumière(évolutiondunombredephotonsdétectés
aucoursdutemps)observéesparl’instrumentBATSEàborddusatelliteCGRO.Onconstateimmédiatement
unetrèsvariationdanslaformedusignalobservé!
Onyparvientmalgrétoutenconsidérantl’intervalledetempsdurantlequel90%desphotonssontdétectés,et
cepourl’ensembledessursautsconnus.Danscecas,ladistributiondecesduréesestclairementrépartieendeux
familles distinctes.Cettepropriétéparticulièrementintriganteconduisitàuneclassificationdessursauts
endeuxcatégories:
-Les sursauts longs, pour lesquels la durée d’émission est supérieure à deux secondes et qui représentent
environlestrois-quartsdesévénements.
-Lessursautscourts,pourlesquelsladuréed’émissionestinférieureàdeuxsecondes.
Ilfautavouerquecerésultataprofondémenttroublélacommunautéscientifiquelorsdesadécouverteaucours
desannées90.Iln’étaitpasfaciledetrouverunmécanismeexpliquantunetelledistributionbimodaleetildevenait
alorstentantdefaireappelàdeuxoriginesdistinctes.
2-…Maisavecbiendespointscommuns
L’enjeuétaitdoncdésormaisd’identifierlanatureexactedel’astre(leprogéniteur),ainsiquelamanièredontila
évoluéavantd’aboutirauphénomènedesursautobservé.Unélémentderéponsefutapportéenétudiantl’énergie
émise,quiexcède1043Joules,soitl'équivalentdel’énergiedissipéeparuneétoilecommenotreSoleilenunmilliard
d’années.Lesiègedecetteactivitéestparailleursextraordinairementcompact,commeindiquéparlatrèsgrande
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variabilité du flux de rayonnement sur des échelles de temps aussi courtes que la milliseconde. Le seul astre
suffisamment compact pouvantconvertir efficacementuneimportantequantité dematièreenrayonnementest…
untrounoir!Maispourformeruntelastre,lessursautscourtsetlongsvontdevoirsuivredescheminsdistincts.
Ainsi,l’hypothèseactuellementfavoritepourlaformationdessursautscourts est basée sur la fusion ou
coalescencedesystèmesbinairesd’objetscompacts,naineblancheouétoileàneutron.Spiralantsanscessel’un
versl’autre,cesdeuxobjetsvontfinirparentrerencollisionetformeruntrounoirunique,lamassedusystème
alors constitué permettant en effet la formation d’un tel objet. Une énergie formidable va à cette occ asion être
libérée en un temps extrêmement court sous la forme de deux pinceaux (ou jets) très étroits émis dans deux
directions opposées,commepourlalumièred’unphare. Cesjetssontcomposésdematièresepropageantàune
vitesse proche de celle de la lumière baignant dans un rayonnement électromagnétique particulièrement intense,
onparlealorsde«jetrelativiste».
L’observationdesursautslongsassociésàdesétoilesenfindevie,dessupernovae,apermisquantàellederelier
ce phénomène aux stades ultimes et explosifs de l’évolution stellaire des étoiles les plus massives. Ces étoiles,
dontlamassedépassede20à30foiscelledenotreSoleil,achèventimmanquablementleurvieentrounoir.Ce
dernier grossit très rapidement en avalant la matière environnante et en émettant simultanément deux jets
relativementétroits,del’ordre dequelques degrés d’ouverture,dansdeux directionsopposées.Unefoiscréé, la
difficultépourlejetvaêtredesortirdel’enveloppeextrêmementmassivedelasupernovaafindecréerlesursaut
qu’on observe.Pouryparvenir,uneénergieconsidérabledoitêtreinjectéedanscesjets,plusde1043 J
pendantaumoins10secondes,soitl’équivalentdel’énergiedissipéeparnotreSoleilduranttoutesavie,
enunepoignéedesecondes!
Danslecascontraire,lejetn’apasassezdepuissanceetlesursautavortera,conduisantalorsàunesupernova
classique. Il semblerait toutefois que toutes les étoiles massives ne produisent pas de sursaut, mais que par
contre,touslessursautsproduisentunesupernova.Lesraisonsquiconduisentuneétoilemassiveàunsursautne
sontpasencoreclairementcomprisesetsontlesujetd’unediscussionviveetpassionnéeparmilesspécialistesdu
domaine.
Unefoislejetcréé,soitparlacoalescencededeuxastrescompacts(sursautcourt),soitparl’effondrementsur
elle-mêmed’unetrèsgrosseétoile(sursautlong),desmécanismesextrêmementviolentsvonts’yproduire,cequi
donnera naissance au phénomène que l’on connaît. À partir de ce moment, les sursauts longs et cours vont
connaîtreunehistoiretrèssimilaire!
Schémadeprincipedelaformationd’unsursaut-gammalong.Leprogéniteurestuntrounoirstellaire
fraîchementforméparl’effondrementd’uneétoilemassive.Lesdeuxjetsainsiforméssontlesiègede
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