Les Sursauts gamma : Décrypter les Mystères de l’Univers Avec les Explosions les Plus Puissantes

Deux étoiles à neutrons commencent à fusionner dans ce concept artistique, projetant des jets de particules à haute vitesse. Les événements de collision comme celui-ci créent des sursauts gamma courts. Crédit : Sonoma State Univ./A. Simonnet ; NASA

Découverts par inadvertance, les GRBs sont devenus essentiels pour comprendre les événements cosmiques, de la formation des trous noirs à la structure de l’univers, grâce à leur immense puissance et à l’étude de leurs lueurs résiduelles.

Les événements les plus puissants dans l’univers connu – les sursauts gamma (GRBs) – sont des éruptions fugaces de lumière de la plus haute énergie. Ils peuvent éclater avec une luminosité quintillionnaire (un 10 suivi de 18 zéros) de celle de notre soleil. Maintenant considérés comme annonciateurs de la naissance de nouveaux trous noirs, ils ont été découverts par accident.

L’histoire remonte à 1963, lorsque l’US Air Force a lancé les satellites Vela pour détecter les rayons gamma des essais de bombes nucléaires interdites. Les États-Unis venaient de signer un traité avec le Royaume-Uni et l’Union soviétique pour interdire les essais dans l’atmosphère terrestre, et les satellites Vela assuraient la conformité de toutes les parties. Au lieu de cela, les satellites ont découvert 16 événements de rayons gamma.

En 1973, les scientifiques ont pu éliminer la Terre et le Soleil comme sources de ces brillantes éruptions. C’est alors que les astronomes du Laboratoire national de Los Alamos ont publié le premier article annonçant que ces sursauts provenaient au-delà de notre système solaire.

Les scientifiques du Goddard Space Flight Center de la NASA ont rapidement confirmé les résultats grâce à un détecteur de rayons X sur le satellite IMP 6. Il faudrait encore deux décennies et les contributions de l’Agence spatiale italienne BeppoSax et de l’Observatoire gamma-ray Compton de la NASA pour montrer que ces éruptions se produisent bien au-delà de notre galaxie de la Voie lactée, sont réparties de manière égale à travers le ciel et sont extrêmement puissantes. Le GRB le plus proche enregistré s’est produit à plus de 100 millions d’années-lumière.

Bien que découverts par hasard, les GRBs se sont révélés inestimables pour les chercheurs d’aujourd’hui. Ces éclairs de lumière sont riches en idées sur des phénomènes comme la fin de vie des étoiles très massives ou la formation de trous noirs dans des galaxies lointaines.

Pourtant, il reste encore de précieuses découvertes scientifiques à faire. En 2017, les GRBs ont été pour la première fois liés aux ondes gravitationnelles – des ondulations dans le tissu de l’espace-temps – nous guidant vers une meilleure compréhension du fonctionnement de ces événements.

Fusion de deux étoiles à neutrons

Le Long et le Court des GRBs

Les astronomes distinguent les GRBs en deux classes principales : les événements courts (où le premier sursaut de rayons gamma dure moins de deux secondes) et les événements longs (durant deux secondes ou plus).

Les sursauts plus courts produisent également moins de rayons gamma dans l’ensemble, ce qui amène les chercheurs à émettre l’hypothèse que les deux classes proviennent de systèmes progéniteurs différents.

Les astronomes associent désormais les sursauts courts à la collision de deux étoiles à neutrons ou d’une étoile à neutrons et d’un trou noir, aboutissant à un trou noir et à une explosion de courte durée. Les GRBs courts sont parfois suivis de kilonovae, une lumière produite par la décroissance radioactive d’éléments chimiques. Cette décroissance génère même des éléments plus lourds, comme de l’or, de l’argent et du platine.

Les sursauts longs sont liés à la mort explosive d’étoiles massives. Lorsqu’une étoile de grande masse épuise son combustible nucléaire, son noyau s’effondre puis rebondit, propageant une onde de choc à travers l’étoile. Les astronomes voient cette explosion comme une supernova. Le noyau peut alors former soit une étoile à neutrons soit un trou noir.

Dans les deux classes, le trou noir nouvellement formé émet des jets dans des directions opposées. Ces jets, constitués de particules accélérées à presque la vitesse de la lumière, transpercent et interagissent finalement avec le matériau environnant, émettant des rayons gamma lorsqu’ils le font.

Cette description générale n’est cependant pas la dernière parole. Plus les astronomes étudient les GRBs, plus ils risquent de rencontrer des événements qui remettent en question les classifications actuelles.

Étoile massive en explosion

Les Lueurs Résiduelles Éclairent de Nouveaux Horizons

Alors que les rayons gamma sont la forme de lumière la plus énergétique, ils ne sont certainement pas les plus faciles à repérer. Nos yeux ne voient qu’une bande étroite du spectre électromagnétique. Étudier la lumière en dehors de cette gamme, comme les rayons gamma, repose fortement sur les instruments que développent nos scientifiques et ingénieurs. Ce besoin de technologie, associé à la nature furtive des GRBs, a rendu les éruptions plus difficiles à étudier au cours des premières années.

Les lueurs résiduelles des GRBs surviennent lorsque le matériau dans les jets interagit avec le gaz environnant.

Les lueurs résiduelles émettent des rayons radio, infrarouges, optiques, UV, X ainsi que des rayons gamma, ce qui fournit plus de données sur l’éruption initiale. Les lueurs résiduelles persistent pendant des heures à des jours (voire des années) après leur explosion initiale, offrant davantage d’opportunités de découverte.

Étudier les lueurs résiduelles est devenu essentiel pour déduire les forces motrices derrière les différents sursauts. Dans les sursauts longs, à mesure que la lueur résiduelle s’estompe, les scientifiques finissent par voir la source briller à nouveau lorsque la supernova sous-jacente devient détectable.

Malgré la lumière étant le voyageur le plus rapide de l’univers, elle ne peut pas nous atteindre instantanément. Au moment où nous détectons un sursaut, des millions à des milliards d’années peuvent s’être écoulées, nous permettant d’explorer une partie ancienne de l’univers à travers des lueurs lointaines.

Regorgeant de Découvertes

Malgré la vaste recherche menée jusqu’à présent, notre compréhension des GRBs est loin d’être complète. Chaque nouvelle découverte ajoute de nouvelles facettes aux modèles de sursauts gamma des scientifiques.

Fermi et Swift ont découvert l’un de ces événements révolutionnaires en 2022 avec GRB 221009A, un sursaut si lumineux qu’il a temporairement aveuglé la plupart des instruments de rayons gamma spatiaux. Un GRB de cette ampleur est prévu une fois tous les 10 000 ans, en faisant probablement l’événement de la plus haute luminosité jamais observé par la civilisation humaine. Les astronomes l’ont donc surnommé le plus brillant de tous les temps – ou le BOAT.

Flash de rayons gamma

Ce sursaut est l’un des sursauts longs les plus proches jamais observés au moment de sa découverte, offrant aux scientifiques un regard plus attentif non seulement sur les GRBs, mais aussi sur la structure de la Voie lactée. En scrutant le BOAT, ils ont découvert des ondes radio manquantes dans d’autres modèles et ont suivi les réflexions de rayons X pour cartographier les nuages de poussière cachés de notre galaxie.

Les GRBs nous connectent également à l’un des messagers les plus recherchés de l’univers. Les ondes gravitationnelles sont des distorsions invisibles de l’espace-temps, nées d’événements cataclysmiques comme les collisions d’étoiles à neutrons. Imaginez l’espace-temps comme une couverture enveloppante de l’univers, avec les ondes gravitationnelles comme des ondulations qui flottent à travers le matériau.

En 2017, Fermi a repéré l’éclat de rayons gamma d’une fusion d’étoiles à neutrons à peine 1,7 seconde après la détection des ondes gravitationnelles provenant de la même source. Après un voyage de 130 millions d’années-lumière, les ondes gravitationnelles ont atteint la Terre juste avant les rayons gamma, prouvant que les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière.

Les scientifiques n’avaient jamais détecté le voyage conjoint de la lumière et des ondes gravitationnelles…