Une nouvelle fenêtre sur les premières étoiles de l`Univers

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Une nouvelle fenêtre sur les premières étoiles de l'Univers
La découverte de l'astre le plus lointain connu par l'homme ouvre une nouvelle fenêtre
sur une période encore inexplorée de l'histoire de notre Univers: celle de la formation
des premières étoiles et des premières galaxies qui a conduit à l'Univers que nous
connaissons actuellement.
Depuis quelques années les astrophysiciens espéraient découvrir des explosions d'étoiles
massives dans l'Univers très jeune (entre 400 et 700 millions d'années). Cette période de la vie
de notre Univers est particulièrement intéressante car elle correspond à la formation des
premières étoiles et galaxies qui ont illuminé le cosmos après une longue période d'âges
sombres. De telles explosions, appelées « sursauts gamma », se produisent lorsque le coeur
d'une étoile de plus de 20 masses solaires s'effondre en un trou noir qui avale les parties
centrales de l'étoile en quelques secondes et expulse un jet de matière à des vitesses proches
de celle de la lumière (figure 1). Les sursauts gamma sont composés de deux phases : un
éclair intense de rayons X et gamma produit au moment même de l’explosion (qui ne traverse
pas l’atmosphère terrestre) et une émission résiduelle dans tout le spectre électromagnétique
produite par le choc du jet de matière sur le milieu interstellaire. Les sursauts gamma sont
observés régulièrement par le satellite Swift de la NASA qui alerte les observatoires au sol
qui peuvent ainsi étudier l'émission résiduelle pour mesurer la distance et l'énergie de
l'explosion et trouver la galaxie dans laquelle celle-ci s'est produite. La luminosité extrême
des sursauts gamma permet de les détecter jusque dans les régions les plus reculées de
l'Univers.
Le 23 avril dernier à 7h55 le satellite Swift de la NASA a détecté un éclair de rayons gamma
d'une durée de 10 secondes qu'il a rapidement localisé. Cet événement a été baptisé GRB
090423, (pour « Gamma-Ray Burst », l’équivalent anglais de sursaut gamma) suivi de la date
à laquelle le sursaut a été détecté. En même temps qu'il tournait pour orienter ses télescopes
visibles et à rayons X en direction du sursaut, plusieurs télescopes faisaient de même sur la
Terre. Dans les minutes qui ont suivi l'alerte le sursaut était observé par divers télescopes qui
ont fourni des résultats étonnants: les télescopes équipés de caméras visibles ne détectaient
aucune trace de l'explosion tandis que ceux qui étaient équipés de caméras infrarouges,
comme le télescope anglais UKIRT et le télescope Gemini à Hawaii, détectaient une nouvelle
étoile plutôt brillante. Rapidement les astronomes ont compris qu'il pouvait s'agir d'une
explosion extrêmement distante dont la lumière avait été décalée vers le rouge par l'expansion
de l'Univers. Une dizaine d’heures après le sursaut gamma plusieurs observations couvrant
simultanément les deux domaines visibles et infrarouge (spectres obtenus au télescope italien
TNG des îles Canaries et au Very Large Telescope de l'ESO et observations photométriques
réalisées avec le télescope allemand GROND – figure 2) ont pleinement confirmé cette
hypothèse audacieuse. Ces mesures ont révélé une explosion ayant eu lieu lorsque l'Univers
avait seulement 4% de son âge actuel (soit 630 millions d'années, ce qui correspond à un

décalage vers le rouge z = 8.1). Les auteurs de ces observations venaient d'identifier l'astre le
plus lointain jamais observé par l'homme, une explosion stellaire tellement lumineuse qu'elle
a pu être détectée après que la lumière ait voyagé pendant 13 milliards d'années.
Cette découverte, à laquelle est associé O. Godet un chercheur post-doctoral de l'Observatoire
Midi-Pyrénées, tombe comme une excellente nouvelle après le colloque de prospective du
CNES qui vient d'officialiser l'engagement du projet du projet Sino-Français SVOM dont l’un
des objectifs est précisément la détection et l'étude des sursauts gamma les plus lointains de
l'Univers. La mission SVOM, prévue pour un lancement en 2014, permettra de systématiser la
détection de ces événements grâce à une combinaison instrumentale unique qui inclut des
détecteurs de rayons gamma dans l'espace, un système de diffusion rapide (quelques dizaines
de secondes) des alertes vers la Terre, et des télescopes terrestres équipés de caméras
infrarouges. Les chercheurs de l'Observatoire Midi-Pyrénées, qui ont une longue tradition
d'étude de l'Univers jeune et de l'Univers à haute énergie, jouent un rôle de premier plan dans
le projet SVOM. Le Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements fournira le détecteur de
rayons gamma du télescope ECLAIRs, le dispositif embarqué sur le satellite de détection et
d’alerte des sursauts gamma réalisé sous la maîtrise d’œuvre du CEA-IRFU à Saclay, tandis
que le Laboratoire d'Astrophysique de Toulouse-Tarbes prépare un télescope terrestre équipé
d'une caméra infrarouge. Les perspectives ouvertes par la détection de GRB 090423 sont
immenses puisque les astronomes savent maintenant qu'ils ont les moyens d'étudier les
premières générations d'étoiles et que celles-ci, lorsqu'elles explosent, deviennent pour
quelques heures des « phares » puissants qui éclairent une période inexplorée de l'histoire de
notre Univers: celle de la formation des premiers astres lumineux.
Figure 1: Image d'artiste d'une étoile massive produisant un sursaut gamma
(crédit : NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones)

Figure 2: Image résiduelle de l'explosion prise par le télescope GROND 15
heures après le sursaut gamma, montrant l'absence de détection visible (aucun
signal n’est détecté au-dessus du niveau de bruit de fond dans les filtres visibles
g',r',i',z') et la présence d'une émission lumineuse en infrarouge dans les filtres J,
H et K. Une telle coupure entre émission visible et infrarouge est caractéristique
des astres dont la lumière nous parvient après un voyage de 13 milliards d'années
(crédit GROND/MPE).
Points de contact OMP :
LATT : J-L Atteia ([email protected])
CESR : O. Godet ([email protected])
Liens:
Communiqué de presse de la NASA:
http://www.nasa.gov/mission_pages/swift/bursts/cosmic_record.html
TNG : http://www.tng.iac.es/news/2009/04/24/grb/
MPE : http://www.mpe.mpg.de/News/20090428/text.html
ESO : http://www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2009/pr-17-09.html
Projet SVOM, pages des laboratoires français :
http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_sstechnique.php?id_ast=435
http://www.cesr.fr/spip.php?article150
http://www.oamp.fr/infoglueDeliverLive/www/LAM/Projets+Spatial+et+Sol/SVOM