Le colonel Moutarde, dans le salon, avec le chandelier… Avec quelques indices et un brin de jugeote, il est souvent possible de résoudre une petite énigme. Mais éclaircir le mystère des sursauts gamma, les événements les plus énergétiques de l'Univers, est une autre paire de manches. Des indices, les astrophysiciens n'en manquent pas ; les sursauts sont connus depuis la fin des années 60 et observés régulièrement depuis le milieu des années 90. Reste à leur donner un sens, à reconstruire petit à petit les étapes qui conduisent au flash… Bref, à trouver le coupable.

Aux confins de l'Univers

Le 28 février 1997, Beppo-SAX détecte un sursaut gamma dans la constellation d'Orion. © A. Fujii/ Ciel et Espace

D'où peuvent bien provenir les sursauts gamma ? « Avec le satellite Compton, nous avons pu établir qu'ils n'étaient pas dispersés dans notre galaxie, raconte Jacques Paul, du Service d'astrophysique du CEA à Saclay. A l'époque, ils nous semblaient soit très proches, dans notre système solaire, soit très éloignés, hors de notre galaxie. » Lancé en 1991, le satellite américain Compton Gamma Ray Observatory repère en effet des sursauts un peu partout dans le ciel. Or, s'ils naissaient ça et là dans notre galaxie, il y en aurait plus le long de la Voie lactée, notre galaxie vue par la tranche. Exit donc une origine galactique. Alors, proches ou éloignés ? Les spécialistes croisent le fer. « Une origine proche simplifiait un peu la théorie car elle supposait des énergies moins grandes » , indique Jacques Paul. Plusieurs théories voient le jour. L'une d'elles fait intervenir des chocs de comètes ou d'astéroïdes d'antimatière sur de la matière. Des chercheurs facétieux proposent même la participation d'extra-terrestres pyrotechniciens. « A l'époque, une petite majorité pense toutefois qu'il s'agit d'événements extrêmement lointains », ajoute l'astrophysicien. Lointains, donc spectaculairement énergétiques pour parvenir jusqu'à nous.

Emission rémanente

Echelle stellaire La taille des étoiles varie de celle des étoiles à neutrons à celle des supergéantes.  Lire la suite

En 1996, le satellite d'observation des rayons X italien Beppo-SAX est mis en orbite. A son bord se trouve également un détecteur de rayons gamma. Le 28 février 1997, l'instrument détecte un sursaut gamma dans la constellation d'Orion. Surprise : une émission X est également repérée, au même endroit, dont la luminosité a chuté de vingt fois deux jours plus tard. Branle-bas de combat ! Le télescope spatial Hubble et les observatoires terrestres, qui captent les longueurs d'onde visibles, sont mis à contribution et détectent eux aussi une lumière déclinante. Elle sera baptisée émission rémanente ou afterglow . « Pour la première fois, nous étions capables de regarder ce qu'il y avait à la position du sursaut après son déclin » , se souvient Jacques Paul. Et qu'y avait-il ? Une petite tache lumineuse, image bien connue des astronomes : une galaxie. Depuis, une douzaine de galaxies hôtes a été observée, dont certaines à plus de dix milliards d'années-lumière. Les sursauts gamma sont bel et bien des événements très lointains. Le décor est planté.

 

Une petite source pour un grand flash

Une source ponctuelle "Imaginez que le Soleil soit une sphère recouverte entièrement d'ampoules électriques..."  Lire la suite  Empreintes de matière Les sursauts gamma permettent de sonder l'Univers. Les rayonnements qu'ils émettent courent sur des millions, voire des milliards d'années-lumière, avant de nous parvenir...  Lire la suite

C'est là qu'entrent en scène les théoriciens, « vers lesquels nous nous sommes tournés pour qu'ils imaginent un mécanisme compatible avec les observations », selon Jacques Paul. A quoi ressemblent-ils vraiment ces sursauts gamma ? Les données recueillies par Compton GRO, qui en a détecté pas moins de 2700 au cours de sa carrière, ont permis d'établir deux familles : les courts, d'une durée inférieure à 1 seconde, et les longs, dont la durée peut atteindre plus de 20 secondes ; ces derniers représentant les deux tiers de la population totale. Un sursaut, c'est donc un flash intense de rayons gamma ¾ il émet autant d'énergie en dix secondes que le Soleil au cours des 10 milliards d'années de sa vie ¾ suivi de rayons X et parfois d'une lumière visible et infrarouge. Caractéristique étonnante : pendant le bref instant que dure le sursaut, son intensité varie plusieurs fois très rapidement. Preuve que sa source est de petite taille (voir encadré « Une source ponctuelle »).

 

Une émission de lumière dans différentes longueurs d'onde, une énergie phénoménale, des variations rapides d'intensité, une source ponctuelle… Théoriciens, à vos équations ! « Pour les sursauts courts, nous n'en sommes qu'aux spéculations , annonce Jacques Paul. En revanche, il existe aujourd'hui un modèle relativement bien admis pour expliquer les longs. » Le coupable enfin démasqué ? « Disons plutôt qu'il existe un bon faisceau de présomptions », tempère le chercheur. Tout commence avec la mort d'une étoile massive. Lorsque ses réserves en carburant, essentiellement l'hydrogène, sont épuisées, les réactions thermonucléaires qui se déroulent dans le cœur cessent. L'énergie diffusée, qui compensait alors la force de gravité, n'agit plus et le cœur s'effondre sur lui-même en un instant, pour devenir un trou noir. Cet objet étrange, excessivement dense, aspire tout autour de lui…

	Sursauts mode d'emploi
	Voir le schéma

Pendant quelques instants, il se forme alors un tore de matière. « Sans que nous sachions trop ni pourquoi ni comment, le trou noir éjecte à une vitesse proche de celle de la lumière un faisceau de plasma [un gaz chargé, Ndlr], explique Jacques Paul. Si celui-ci parvient à franchir l'enveloppe de l'étoile moribonde, un sursaut gamma peut avoir lieu. » En fait, le jet de plasma est constitué de paquets de matière à plusieurs vitesses, émis en saccade. Lorsque les plus rapides rattrapent les plus lents, c'est le choc : des particules, notamment les électrons et les positrons, sont accélérées et émettent des rayons gamma dans la direction du faisceau. « C'est cette succession de chocs qui explique les variations brusques d'intensité des flashs gamma, souligne Jacques Paul. A chaque collision correspond un pic d'intensité. »

Mille sursauts par jour

Puis, dans leur course folle, les paquets de matière atteignent rapidement le milieu interstellaire. Ils y rencontrent nuages de gaz et de poussières, débris éjectés par l'étoile lors de son agonie… Ces nouveaux chocs génèrent des rayons X, de la lumière visible et des infrarouges. Bref, l'émission rémanente. Voilà donc le responsable des sursauts gamma longs : un trou noir cracheur ! Quant aux sursauts courts, les chercheurs suspectent la rencontre de deux étoiles à neutrons, mais font face à un manque cruel de données pour aller plus avant dans les explications.

L'effet Doppler a été découvert au XIXe siècle. Lorsqu'une source, lumineuse ou sonore, se déplace par rapport à l'observateur, la longueur des ondes qu'elle émet varie. Elle augmente quand elle s'éloigne et diminue quand elle se rapproche. Ainsi, la lumière d'un astre s'éloignant de la Terre rougit (dans le cas contraire, elle bleuit). Ce décalage vers le rouge permet de calculer la vitesse d'éloignement et donc la distance de l'astre.

Ces événements cataclysmiques sont-ils monnaie courante dans l'Univers ? D'après les comptes des astrophysiciens, il y en aurait mille par jour mais un seul serait observable. « Un million d'étoiles massives meurent chaque jour du fait de l'effondrement de leur cœur , indique Jacques Paul. Mais seul un effondrement sur mille donne un sursaut et seul un sursaut sur mille pointe dans notre direction. » Et pour ne pas manquer ce flash quotidien, il faudrait couvrir en permanence toute la voûte céleste, ce qui est loin d'être le cas actuellement. « Integral couvre un soixantième du ciel, d'où moins d'un sursaut détecté par mois » , précise Jacques Paul ( voir « Mission Integral » chapitre 4 ).

Phénomènes extrêmes, les sursauts gamma intéressent pour eux-mêmes mais aussi, et surtout, pour ce qu'ils pourraient nous apprendre sur les régions les plus éloignées de l'Univers, donc sur les temps les plus reculés. En particulier, les sursauts pourraient bien apporter des informations précieuses sur la toute première génération d'étoiles, née peu après notre Univers. Quand ont-elles vu le jour ? A quoi ressemblaient-elles ? Jusqu'à présent, l'étoile la plus primitive jamais observée est de deuxième génération – notre Soleil appartient à la troisième – mais l'étude des sursauts gamma pourrait bien changer la donne.

Et si l'étoile explose ? Les astrophysiciens ont détecté l'empreinte de supernovae dans la lumière de nombreux sursauts. Le modèle actuel du « trou noir cracheur » est-il compatible avec ses observations ?  Lire la suite

En effet, les conditions de formation des astres primordiaux auraient favorisé l'apparition d'étoiles très massives – plus de cent fois la masse solaire – ne “vivant” que quelques millions d'années. Toutes ont donc disparu, certaines en engendrant des sursauts gamma. Etant donné leur distance, l'émission rémanente de ces éventuels sursauts se situe dans l'infrarouge et non dans le visible, effet Doppler oblige ( voir encadré « A savoir »  ). Aucun n'a encore été détecté, mais avec le déploiement de nouveaux instruments sensibles à ces longueurs d'onde ( voir « Mission Integral » chapitre 4 ), la traque des sursauts constitue pour Jacques Paul « la seule stratégie possible pour voir les étoiles les plus vieilles de l'Univers ». Ou tout au moins pour assister à leur mort… Autant dire que les fins limiers de l'astrophysique sont loin d'avoir achevé leur enquête.