Dossier : Sursaut gamma : coup de feu dans l`Univers
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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.
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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
illuminentlecielpendantdesjours,laprincipaletracequenousenavonsestuneformidableboufféedephotons
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!
02/02/2010-Par
StéphaneBasa,astrophysicien
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Page2/9-L'Histoirepeutréserverbiendessurprises
Aussi paradoxal que cela puisse paraître,la rivalitéentreles Américains etlesSoviétiques aucoursdela
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 traitéinterdisant 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(Gamma-
RayBurstsenanglais),quinevenaientnidelaTerre,nidenotreSoleil.
Cliquezpouragrandirl'image-Pagedecouverturedel’articleparudansunerevuescientifiquefaisantétat
deladécouvertedeflashesparticulièrementintensesderayonsgammadontl’originen’estniterrestreni
solaire!
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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
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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.Ils’agitdel’astre leplusvieuxjamaisobservé
(bien plus âgé que la plus lointaine galaxie actuellement connue) ; l’Univers n’avait que 600 millions d’années
lorsquecephénomèneseproduisit.Vudel’autrecôtédelalorgnette,lalumièreamisplusde13milliardsd’années
avantde parvenirjusqu’ànous.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.
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1-Tousdifférents…
Commetoujours,leschosessecompliquentdèsqu’onentredanslesdétails(avantdenaturellementsesimplifier
parlasuite!).Eneffet,l’étudedusignalémisparungrandnombredesursautsmontreunetrèsgrandevariétéde
comportementsd’unsursautàl’autre.Cesvariationssontunepremièreindicationquel’astreauseinduquelagitle
processusàl’originedecetteboufféedephotonsdegrandeénergieestextrêmementcompact.Parcontre,cette
trèsgrandediversitéempêcheleclassementdessursautssurlaseulebasedeleurstructuretemporelle.
Cliquezpouragrandirlescourbes-Exempledecourbesdelumière(évolutiondunombredephotonsdétectés
aucoursdutemps)observéesparl’instrumentBATSEàborddusatelliteCGRO.Onconstateimmédiatement
unetrèsvariationdanslaformedusignalobservé!
Onyparvientmalgrétoutenconsidérantl’intervalledetempsdurantlequel90%desphotonssontdétectés,et
cepourl’ensembledessursautsconnus.Danscecas,ladistributiondecesduréesestclairementrépartieendeux
familles distinctes.Cettepropriétéparticulièrementintriganteconduisitàuneclassificationdessursauts
endeuxcatégories:
- Les sursauts longs, pour lesquels la durée d’émission est supérieure à deux secondes et qui représentent
environlestrois-quartsdesévénements.
-Lessursautscourts,pourlesquelsladuréed’émissionestinférieureàdeuxsecondes.
Ilfautavouerquecerésultataprofondémenttroublélacommunautéscientifiquelorsdesadécouverteaucours
desannées90.Iln’étaitpasfaciledetrouverunmécanismeexpliquantunetelledistributionbimodaleetildevenait
alorstentantdefaireappelàdeuxoriginesdistinctes.
2-…Maisavecbiendespointscommuns
L’enjeuétaitdoncdésormaisd’identifierlanatureexactedel’astre(leprogéniteur),ainsiquelamanièredontila
évoluéavantd’aboutirauphénomènedesursautobservé.Unélémentderéponsefutapportéenétudiantl’énergie
émise,quiexcède1043Joules,soitl'équivalentdel’énergiedissipéeparuneétoilecommenotreSoleilenunmilliard
d’années.Lesiègedecetteactivitéestparailleursextraordinairementcompact,commeindiquéparlatrèsgrande
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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 efficacementuneimportantequantité dematièreenrayonnementest…
untrounoir!Maispourformeruntelastre,lessursautscourtsetlongsvontdevoirsuivredescheminsdistincts.
Ainsi,l’hypothèseactuellementfavoritepourlaformationdessursautscourts est basée sur la fusion ou
coalescencedesystèmesbinairesd’objetscompacts,naineblancheouétoileàneutron.Spiralantsanscessel’un
versl’autre,cesdeuxobjetsvontfinirparentrerencollisionetformeruntrounoirunique,lamassedusystème
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,commepourlalumièred’unphare. Cesjetssontcomposésdematièresepropageantàune
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,
dontlamassedépassede20à30foiscelledenotreSoleil,achèventimmanquablementleurvieentrounoir.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.Unefoiscréé, 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.
Unefoislejetcréé,soitparlacoalescencededeuxastrescompacts(sursautcourt),soitparl’effondrementsur
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
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