Sursauts Gamma

Le mystère des sursauts Gamma

Dans l'univers, des évènements cosmiques d'une puissance considérable, dégagent une énergie incalculable. Ces évènements cosmiques ne sont pas rares, au contraire, ce sont les sursauts gamma ou bouffées de rayons gamma. Imaginons que toute la masse du Soleil, en l'espace de quelques secondes, soit convertie en énergie pure, (E=MC²). Alors, des radiations de très haute énergie, traverseraient la galaxie toute entière. C'est ce type d'évènements cosmiques que les scientifiques américains ont découvert par hasard en 1967, alors qu'ils essayaient de détecter d'éventuelles traces d'explosions nucléaires, de la part des russes. Les satellites militaires américains du "Projet Vela" dont la première mise en orbite date de 1963, étaient chargés de contrôler l’application du traité, portant sur l’interdiction des tests atomiques atmosphériques. C'est à cette occasion que les premiers sursauts gamma ont été observés. Ces phénomènes cosmiques sont de courtes durées, de quelques secondes à quelques minutes, et difficilement observables car ils laissent peu de temps pour orienter précisément les télescopes terrestres et spatiaux, les plus sensibles. Ces bouffées cosmiques mystérieuses sont comme des flashs qui apparaissent n'importe où dans le ciel lointain, sans véritable source précise. Ils se répartissent de façon aléatoire sur la sphère céleste. Lorsque les astronomes arrivaient à observer l'endroit de la source, toutes traces visibles, avaient disparues.
Les sursauts gamma étaient si insaisissables que peu d'astronomes orientaient leur recherche sur cette énigme. Certains pensaient que ces sursauts venaient d'étoiles à neutrons, situées dans notre galaxie.
Nous ne voyons notre Galaxie que par la tranche, ces flashs devaient nous parvenir de la tranche, alors qu'ils se répartissaient dans toutes les directions du cosmos.

Ces flashs ne pouvant venir que des autres galaxies, quelle puissance fallait-il à ces bouffées pour nous parvenir ?
Une puissance inimaginable, des milliards de milliards de fois celle du Soleil et c'est cela qui posait problème aux scientifiques, car plus ces flashs étaient éloignés, plus ils devaient être puissants.
Des explosions aussi colossales devaient avoir des effets secondaires, comme, laisser une trace, une lumière rémanente. Les scientifiques devaient absolument détecter cette lueur tardive pour comprendre les sursauts gamma provenant du fond du cosmos. Mais pour capter cette lueur tardive il fallait pointer les télescopes, très rapidement vers la source gamma supposée. Le 28 février 1997, c'est avec le satellite italo-hollandais BeppoSAX, équipé d'un détecteur de rayonnement gamma, que les scientifiques observeront, pour la première fois, une émission rémanente sur d'autres longueurs d'ondes que celle du rayonnement gamma. Depuis 2004, le télescope SWIFT, permet un pointage très rapide de ses deux instruments d'imagerie X et optique. Avec SWIFT, les scientifiques peuvent observer l'émission rémanente du sursaut, dans les premières minutes après le flash gamma. SWIFT, le satellite de la NASA a été conçu spécifiquement pour expliquer ces phénomènes. Mais une autre énigme était à résoudre.
Quelle est le corps céleste capable de dégager une force titanesque à l'origine des sursauts gamma ?
Il semble que les sursauts gamma soient liés aux stades ultimes de l’évolution stellaire et aux trous noirs. Ce sont des phénomènes cosmiques extrêmement puissants, probablement les plus puissants de l'Univers après le Big Bang lui-même.

Image : Les sursauts de rayons gamma, ces bouffées cosmiques mystérieuses sont comme des flashs qui apparaissent n'importe où dans le ciel lointain, sans véritable source précise. Ils se répartissent de façon aléatoire sur la sphère céleste. Il semble que les sursauts gamma soient liés aux stades ultimes des hypernovae et aux trous noirs. Mais même un trou noir manque de puissante pour générer ces sursauts de rayons gamma, que l'on observe. Pour émettre autant d'énergie il faut en plus que le trou noir tourne extrêmement vite sur lui-même. Ce gros moteur électrique d'une puissance absolument démentielle produit alors des jets d'énergie intenses, des sursauts de rayons gamma visible depuis la Terre. Image du documentaire 'la fin d'une étoile'

SWIFT l'explorateur Gamma-Ray

SWIFT est un télescope spatial, lancé sur une orbite terrestre basse, le 20 novembre 2004 à 17:16:00 UTC, par une fusée Delta 2. L'objectif de SWIFT est d'étudier les sursauts gamma. Les sursauts Gamma, ces explosions brèves mais intenses, se produisent environ une fois par jour dans l'Univers. Ce sont de véritables bouffées brulantes, de rayonnement gamma qui viennent de toutes les directions du ciel et durent, de quelques millisecondes à quelques centaines de secondes. Les scientifiques se demandent si ce sont des naissances de trous noirs, des explosions stellaires, des collisions d'étoiles à neutrons, des dislocations d'étoiles par un trou noir supermassif.
Est-ce un autre phénomène exotique qui provoque ces explosions ?
Depuis 2004, les scientifiques disposent avec SWIFT, d'un outil dédié pour répondre à ces questions et résoudre le mystère des sursauts gamma. Quelques secondes après la détection d'une rafale gamma, SWIFT est capable de relayer l'emplacement cosmique de la bouffée gamma, aux stations du monde entier, permettant à la fois aux télescopes basés au sol et aux télescopes spatiaux, d'observer l'éclatement de la rémanence.
Le satellite artificiel SWIFT a découvert un sursaut gamma (Gamma-Ray Bursts), survenu lorsque l'Univers n'était âgé que de seulement 640 millions d'années.

Il s'agit très probablement d'une hypernova produite par la formation d'un trou noir dans le cœur d'une étoile géante de plusieurs dizaines de fois la masse du Soleil.
L’effondrement du cœur de l’étoile et son explosion ont alors produit un faisceau intense et focalisé, de rayons gamma dirigés par chance en direction des instruments de SWIFT. Cette explosion observée en 2009, est le GRB le plus lointain jamais observée par les scientifiques. Sa lumière a voyagé pendant 13,1 milliards d'années avant de nous parvenir.
GRB 090423, le sursaut gamma du 23 avril 2009, a duré seulement 10 secondes mais, sa lumière a depuis été observée dans de nombreuses longueurs d'ondes, dont celles de l'infrarouge comme sur l'image ci-contre. Cet évènement donne un aperçu des premiers instants de l'Univers et montre qu'il y avait déjà des étoiles hyper massives. Le dernier record de décalage spectral, et donc d'ancienneté, était détenu par GRB 080916C, le sursaut gamma du 16 septembre 2008. Celui-ci est plus vieux de 190 millions d'années. En observant les sursauts gamma on peut découvrir à quel moment les premières étoiles de l'univers se sont allumées.

Image : Le sursaut gamma GRB 090423 a été découvert par SWIFT, le 23 avril 2009. Situé à quelques degrés de l'étoile η Leonis (constellation du Lion), c'est en 2009, l'évènement astronomique identifié, le plus éloigné de la Terre (13,1 milliards d'années). La lumière rémanente observable se trouve, comme on le voit dans le cercle, dans le domaine de l'infrarouge. Crédit : Gemini Observatory/NSF/AURA/D.Fox, A.Cucchiara (Penn State Univ.) et E. Berger (Harvard Univ.)

Bouffée de Rayons gamma, GRB 130427A

GRB 090423, le sursaut gamma du 23 avril 2009, a duré seulement 10 secondes et sa lumière a voyagé pendant 13,1 milliards d'années avant de nous parvenir. Mais la bouffée gamma GRB 130427A du 27 avril 2013, a battu un autre record. Cette explosion cosmique d'étoile mourante, a duré plusieurs heures. Les sursauts gamma sont les explosions les plus lumineuses dans le cosmos et parmi ces bouffées GRB 130427 est le plus brillant sursaut gamma jamais vu. C'est aussi le plus long en durée, Fermi a pu l'observer pendant environ 20 heures, un record pour ce genre d'évènement. Le flash a voyagé pendant 3,8 milliards d'années avant d'arriver dans nos télescopes. Un noyau d'étoile massive à court de combustible nucléaire, s'est effondré sous son propre poids et a formé un trou noir. Le trou noir a déclenché alors des jets de particules qui ont traversés toute l'étoile et éclatés dans l'espace à une vitesse proche de la lumière. C'est ainsi que l'on peut résumer le sursaut gamma d'avril 2013. Le satellite Fermi Large Area Telescope (LAT) qui traque les sources de rayons gamma était miraculeusement pointé vers la bonne direction au bon moment et les télescopes spatiaux capables de l'observer étaient disponibles. Les télescopes à réponse rapide, exploités par le Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique se sont rapidement tournés vers le flash optique qui a culminé à la magnitude 7 sur l'échelle de luminosité astronomique, facilement visible avec des jumelles.

Gamma-ray Burst Moniteur (GBM) à bord du télescope spatial à rayons gamma de la NASA a capturé des photons d'une énergie gigantesque (95 GeV), ce qui est absolument énorme pour un photon. Par comparaison l'énergie d'un photon de la lumière visible est de l'ordre de 2 eV. Dans les trois premières secondes de l'explosion, la monstrueuse bouffée s'est avérée être la plus importe jamais observée. GRB 130427A a fait l'objet de cinq articles publiés en ligne le 21 novembre. Quatre d'entre eux publiés par Science Express, soulignent les contributions de Fermi, Swift et RAPTOR. L'étude NuSTAR est publiée dans la revue Astrophysical Journal Letters.

N. B. : Les rayons gamma sont des rayonnements de photons de très haute énergie (au-delà de 100keV) suffisante pour arracher un électron de son orbite. Les rayons gamma sont la forme la plus énergétique de la lumière. Ils possèdent une longueur d'onde très courte, inférieure à 5 pico mètres, et peuvent être produits par la désintégration nucléaires, surtout aux seins des étoiles massives en fin de vie. Ils ont été découverts par le chimiste français, Paul Villard (1860-1934).

Image : Le flash gamma enregistré par Fermi Large Area Telescope (LAT) après la bouffée gamma de GRB 130427A. Dans les trois premières secondes de l'explosion, la monstrueuse bouffée s'est avérée être la plus importe jamais observée. (NASA/DOE/Fermi-LAT collaboration).