Les sursauts gamma

Les rayons gamma, la forme la plus énergétique de la lumière, furent découverts en 1900 par le physicien français Paul Villard. Ce fut le satellite Explorer 11 de la NASA, lancé en 1961, qui détecta les premiers rayons gamma dans l'espace. En 1963, l'armée de l'air américaine lança une série de satellites dans le cadre du Projet Vela, qui avaient pour but de vérifier le respect du traité qui interdisait les tests d'armes nucléaires dans l'espace ou dans l'atmosphère; mais à partir de juillet 1967, les scientifiques se rendirent compte que les satellites Vela observaient de brefs évènements rayons gamma (qui n'avaient aucun rapport avec des tests d'armes). Les sursauts gamma (en anglais "gamma-ray bursts" ou GRB) sont des explosions déclenchées soit par l'effondrement d'une étoile massive soit par la fusion d'une étoile à neutrons avec une autre étoile à neutrons ou avec un trou noir. Si le jet de l'évènement est orientée vers la Terre, on détecte une explosion de rayons gamma. Le jet entrant en expansion, il perd de l'énergie et il produit un rayonnement plus faible, plus isotrope dans les rayons X et les autres longueurs d'onde. Le jet se heurte ensuite, en générant une forte lumière, et chauffe les enveloppes de gaz que l'étoile a auparavant expulsées. Les lignes qui suivent sont des vues plus détaillées mais qui éloignent de cette vue simplifiée. Les plus récents point de vue, par ailleurs, pensent qu'il faut étroitement lier étude des sursauts gamma à étude des trous noirs

->Une définition simple
Voici une définition simple des sursauts gamma: les sursauts gamma sont les explosions les plus lumineuses de l'Univers. On connaît deux types de sursauts, les courts et les longs. Les sursauts gamma courts durent moins de 2 secondes; ils proviennent de la fusion de deux étoiles à neutrons, liées dans un système binaire compact, laquelle engendre deux jets puissants de matière et de radiation dont la puissance est aussi forte que l'énergie émise par le Soleil en 10 milliards d'années... Le résultat final est un trou noir. Les suspects les plus vraisemblables sont les étoiles à neutrons et les trous noirs. Les sursauts gamma longs durent plus de 2 secondes à quelques minutes (la durée-type se situe entre 20 et 50 secondes); ils résultent d'un évènement supernova survenant à une étoile ayant une masse 40 à 100 fois celle du Soleil; les jets, dans ce cas, proviennent du fait que le trou noir qui résulte de la supernova re-capture le gaz et le matériau de l'explosion. La durée du sursaut correspond au temps que les couches de l'étoile mettent à tomber sur le trou noir. Les étoiles avec une rotation rapide sont plus prônes à produire un sursaut gamma de longue durée. La métallicité joue aussi un rôle très important: on a noté que les sursauts longs sont plus fréquents dans les galaxies métalliquement pauvres (75% des sursauts gamma de longue durée ont lieu dans les 10% de galaxies les plus pauvres en métal). Cela fait donc que la survenue des sursauts gamma diminue au fur et à mesure que l'Univers vieillit. Le peu de sursauts longs observés dans un environnement à forte métallicité pourraient en fait recevoir l'aide d'une étoile-compagnon dont la masse accélèrerait la rotation de l'étoile principale. De telles explosions ont lieu quasiment une fois par jour. Si le résultat de la supernova est une étoile à neutrons, des jets sursaut gamma peuvent également se produire (dans les deux types de sursaut gamma, on a habituellement une étoile à neutrons). Certains de ces jets peuvent atteindre 99,9999% de la vitesse de la lumière; dans certains cas, ils traversent l'étoile en effondrement supernova et continuent leur course dans l'espace, interagissant alors avec le gaz émis auparavant et ils produisent des luminescences redondantes qui faiblissent avec le temps. Les sursauts gamma émettent aussi des ondes gravitationnelles; le trou noir dont il est question continue sa course dans sa galaxie (on en compte plusieurs millions dans la Galaxie). Si un sursaut gamma ne dure que quelques minutes, sa luminescence après-coup reste observable pendant des jours voire des semaines. Aux alentours de 1000 sursauts gamma adviennent chaque année dans l'Univers (et l'un d'entre eux, récemment a été si puissant qu'il était observable à l'oeil nu). Un sursaut gamma peut être dangereux pour la Terre s'il se produit à une distance de moins de 6000 années-lumière et si ses jets sont alignés avec la planète. Si les rayons gamma d'un sursaut atteignaient la Terre, ils détruiraient la couche d"ozone et les radiations solaires atteindraient la surface. Du dioxyde d'azote se développerait massivement et une forte IEM (une perturbation électronique de grande ampleur) aurait lieu. On aurait sans doute aussi un hiver nucléaire. L'étoile eta Carina, une étoile sur le point d'exploser en supernova, qui se trouve à 7000 années-lumière, pourrait représenter un danger de sursaut gamma si ses jets ont lieu dans notre direction. L'intérêt pour les sursauts gamma est apparu au moment de la Guerre Froide lorsque la surveillance des explosions nucléaires a permis de détecté des rayons gamma d'origine inconnue (les rayons gamma, en effet, sont principalement émis par les bombes atomiques)
Une catégorie encore mal connue de sursauts gamma pourrait résulter d'une étoile super-géante qui explose en supernova: ils ont une durée de plusieurs heures et la classe est donc appelée "classe ultra-longue". La forte enveloppe d'hydrogène de telles étoiles prend des heures pour s'effondrer, fournissant donc une source longue de carburant
Les récentes découvertes permises par la mission Swift, de la NASA, montrent que les sursauts gamma existaient déjà dès les débuts de l'Univers, aux alentours de 630 millions d'années seulement après le Big Bang. Le sursaut gamma le plus éloigné a été observé à 13,14 milliards d'années-lumière, à un redshift de 9,4. Une variété d'étoiles dites "étoiles à carbone", semblables aux géantes rouges, qui brillent puissamment dans les longueurs d'onde lognues, sont dans les dernières étapes de leur vie et possèdent des quantités anormalement élevées de carbon dans leur atmosphère externe (lesquelles viennent soit de courants de convection des profondeurs soit sont attirées depuis un compagnon) sont désormais considérées comme étant la source des sursauts gamma
Les autres objets émetteurs de rayons gamma dans l'Univers sont les galaxies actives, des sources inconnues, un peu de pulsars, quelques reste de supernovae ainsi que d'autres objets célestes (amas globulaires, galaxies; pour les galaxies, les rayons gamma sont surtout produits par des rayons cosmiques de haute énergie qui heurtent le gaz interstellaire
La famille des sursauts gamam pourrait, de plus, s'avérer plus diverse que ce qui précède puisque, fin 2011, le sursaut dit, en anglais, "Christmas burst" ("sursaut de Noël") a duré 28 minutes soit un temps inhabituellement long. Il pourrait, lui, avoir été dû à un système binaire étoile normale-étoile à neutrons, l'étoile normale étant entrée dans une phase de géante rouge dont l'atmosphère a fini par englober l'étoile à neutrons; l'atmosphère gazeuse en a été expulsée et l'orbite de l'étoile à neutrons s'est rapidement réduite. Les deux coeurs d'étoile auraient pu ainsi fusionner après 5 orbites seulement (18 mois dans ce cas précis). Le résultat en a été un trou noir, deux jets de particules, le tout suive par une faible explosion supernova. Une autre explication serait la destruction gravitationnelle d'une comète de grande taille par une étoile à neutrons, les débris venant s'écraser sur la surface de celle-ci. Dans ce cas, l'évènement se serait situé aux alentours de 10000 années-lumière de nous (dans le premier cas, il aurait eu lieu dans une galaxie lointaine)

On appelle "sursauts gamma" ("GRB", "Gamma-Ray Bursts", en anglais) des départs énormes d'énergie, canalisés le long de rayons (des "jets"), qui déclenchent des quantités énormes et dangereuses de rayons à haute énergie, les rayons-gamma. Les sursauts gamma, qui ne sont devenus objets d'étude que récemment, sont considérés comme potentiellement dangereux pour la vie, dans tout l'Univers -dont la Terre- car ils peuvent, selon une formule frappante, "stériliser" de la vie une galaxie entière! Explosant à 6000 années-lumière de la Terre, un sursaut gamma, qui frapperait la Terre pendant 10 secondes seulement, détruirait la moitié de la couche d'ozone, permettant le passage des rayonnements dangereux du Soleil jusqu'à la surface. Il faudrait 5 ans à la couche d'ozone pour se reconstituer. Un sursaut gamma proche déclencherait également une "IEM", un court-circuit électro-magnétique global sur toute la planète, l'augmentation du dioxyde d'azote et, probablement, un âge glaciaire. On pense que la première des extinctions de masse que la Terre a connues pourrait avoir été due à un sursaut gamma. Les sursauts gamma se produisent aussi bien dans la Galaxie que jusqu'aux plus lointains de l'Univers, à 7 milliards d'années-lumière, par exemple. On observe 100 sursauts gamma par an et le sursaut gamma potentiel le plus proche et le plus dangereux de nous est constitué par l'étoile géante instable eta Carina

->Les sursauts gamma courts, longs et hybrides
Les sursauts gamma se divisent habituellement en deux catégories, les sursauts gamma longs, et les sursauts gamma courts. Les explosions gamma longues durent plus de 2 secondes et semblent liée à l'apparition d'un trou noir stellaire au cours d'un évènement supernova impliquant une super-géante rouge d'une masse de 40 à 60 fois celle du Soleil. Dans ce cas, le matériau expulsé par la supernova retombe sur le trou noir géant qui se forme et déclenche le sursaut gamma. On peut les observer jusqu'aux extrêmes limites de l'Univers. Les explosions gamma courtes durent moins de 2 secondes (et même, souvent, elles ne durent que quelques milli-secondes) et elles sont liées à la fusion de deux étoiles à neutrons (ou d'une étoile à neutrons et d'un trou noir -ce qui donne naissance à un trou noir (autre ou plus grand)). Il semble que certains sursauts gamma présentent des caractéristiques hybrides, avec une durée longue mais sans correspondre à une théorie de fusion d'objets célestes leur donnant une explication -entre autres, une explication à comment une fusion d'objets pourrait donner naissance à une explosion de longue durée. Les astronomes, sur ce point, en restent donc à l'idée que de tels sursauts gamma hybrides sont soit des explosions courtes relativement longues liées à un évènement de fusion, ou des explosions longues provenant d'une explosion d'étoile, qui ne serait pas un évènement supernova. La plupart des astronomes, cependant, concluent qu'il peut s'agir d'un nouveau processus -ainsi que les théories des fusions GRB peuvent donner une telle durée, ou qu'il existe une catégorie totalement nouvelle d'explosions d'étoiles. Un sursaut gamma hybride a été observée en 2006 dans une galaxie située à 1,6 milliards d'années-lumière. Les explosions-gamma courtes ont récemment été observés à des distances plus lointaines que prévu. Une bonne preuve, en avril 2011, a été trouvée que les sursauts gama courts viennent bien de la collision de deux étoiles à neutrons. Un nouveau modèle informatique super-puissant montre comment les deux étoiles, qui orbitent l'une autour de l'autre perdent alors rapidement de l'énergie -en émettant des ondes gravitationnelles- et fusionnent après trois orbites seulement (soit moins de 8 millisecondes). La fusion amplifie et accélère les champs magnétiques qui ont fusionné. Un trou noir se forme alors et le champ magnétique s'organise, donnant finalement naissance à des structures qui peuvent supporter l'activité des jets, lesquels sont à l'origine des sursauts gama courts. Un chaos de tourbillons de matière super-dense, à des températures supérieurs à 18 milliards de degrés F entourait le trou noir et il aura fallu 30 millisecondes au total pour l'émergence des jets. Une preuve définitive de ce modèle devra attendre que l'on ait réellement détecté des ondes gravitationnelles, des ondes de l'espace-temps prédites par la théorie de la Relativité. Certaines supernovas à l'origine d'un GRB pourraient devoir leur explosion à l'évolution de champs magnétiques très puissants se trouvant autour d'un magnétar

Les études récentes commencent de tracer une image réelle de ces phénomènes: les sursauts gamma se répartissent en deux types; les sursauts gamma longs et les sursauts gamma courts. Les premières durent entre 2 et 10 secondes et elles émettent des rayons-gamma relativement moins énergétiques; les secondes durent entre des valeurs de l'ordre de milli-secondes et 2 secondes; elles produisent des rayons-gamma de haute énergie. On pense que la variété longue durée a lieu à partir d'étoiles de 20 masses solaires, dans des galaxies irrégulières dans lesquelles ne se trouvent que peu d'éléments lourds. De telles étoiles, qui sont lourdes sans appartenir à la catégorie des étoiles extrêmement lourdes, ont essaimé du matériau au cours de leur vie mais elles en ont conservé suffisamment pour pouvoir exploser en supernovas puis se transformer en trous noirs et donner naissance à un sursaut gamma. Les explosions de courte durée, elles, semblent survenir dans tous les types de galaxie et seraient le résultat de la collision entre deux objets denses -ainsi des étoiles à neutrons- donnant naissance à des trous noirs. Il semble y avoir rayons (les "jets") lorsque l'énergie émise vient heurter dans des couches de matière qui peuvent éventuellement subsister autour de l'étoile mourante. Des "flashs rayons-X" ("X-ray flashes") -qui sont des évènements moins énergétiques- ont été observés avant l'évènement rayons-gamma proprement dit mais il pourrait tout aussi bien s'agir d'sursauts gamma vus sous un certain angle. Ou d'évènements autres, d'une nature propre, moins énergétiques que les explosions gamma et résultat d'une explosion de type baryonique (impliquant des neutrons et des protons) et non leptonique (impliquant des électrons). Ces flashs rayons-X, par ailleurs et généralement, semblent être de bons annonciateurs d'une explosion supernova

Les sursauts gamma dont on pensait à un moment qu'elles pouvaient stériliser des galaxies entières semblent en fait d'avoir d'effets que dans un rayon de 200 années-lumière autour d'elles. Une moins bonne nouvelle est que les sursauts gamma sont peut-être beaucoup plus nombreuses que l'on pensait: il semblerait que celles que l'on observe ne sont observées que parce que l'angle de vision depuis la Terre le permet, et qu'une majorité d'autres ne pourraient être observées du fait que l'angle n'est pas le bon. Une autre bonne nouvelle est que les sursauts gamma de longue durée n'ont lieu que dans les galaxies de type irrégulier, d'où qu'il ne peut en exister dans les galaxies du type de la nôtre. Les sursauts gamma de courte durée sont donc possibles dans la Galaxie mais leur puissance est 100 à 1000 fois inférieure à celle des explosions de longue durée. Les sursauts gamma se rencontrent dès les premiers temps de l'Univers

->La mission actuelle de la NASA, "Swift" (voir une notice détaillée dans la section -en anglais seulement- consacrée aux missions spatiales), qui a été lancée en novembre 2004, apporte une connaissance plus avancée des sursauts gamma. Elle comporte trois télescopes embarqués qui peuvent relayer aux autres plateformes spatiales et terrestres tout emplacement observé d'une explosion. Swift peut surveiller 1/6ème du ciel en une seule fois
Les premiers résultats de la mission montrent qu'il y a probablement une variété importante d'explosions cosmiques dans notre partie d'Univers. Les plus petits sursauts gamma (appelées "flashs rayons-X") se distinguent des plus longs. Les flashs rayons-X laissent derrière eux un "magnétar" (une étoile à neutrons avec un champ magnétique 100 à 1000 fois supérieur à celui d'une étoile à neutrons classique. Il semble qu'il y ait une hiérarchie entre les supernovas ordinaires (qui produisent une étoile à neutrons) et les sursauts gamme, qui mènent à un trou noir. Ce qui distingue les sursauts gamma et les flashs rayons-X des supernovas c'est le disque de matière en rotation rapide que les deux premiers laissent autour de l'étoile qui naît de l'évènement. Les flashs rayons-X sont plus nombreux que les explosions gamma longues, dans un rapport de 10 à 1
Il semble que les gamma-rays soient essentiellement le signe de la naissance d'un trou noir. Les explosions gamma-rays des magnétars sont causés par le fait que la combinaison de la forte rotation et des champs magnétiques importants de cette variété d'étoiles à neutrons déclenche -sur de longs intervalles- des "tremblements de terre" sur l'étoile, qui fracturent la croûte et libèrent l'explosion -qui émet aussi dans les rayons-X et le visible. On ne connaît actuellement que 12 magnétars mais ils pourraient être beaucoup plus nombreux du fait que l'on ne les repère que lors de ces explosions
La mission a découvert, en 2009, la plus ancienne explosion gamma, la GRB 090423, qui a eu lieu seulement 630 millions d'années après le Big Bang. De tels évènements furent sans doute associés à la formation de trous noirs en relation avec des évènements supernova, s'intégrant dans tout un ensemble de phénomènes intervenant au sein des toutes premières générations d'étoiles qui émergeaient à partir de l'Age sombre

Un rayonnement de fond extra-galactique rayons gamma, d'une façon générale, dans l'Univers, provient des "active galaxies" ("galaxies actives") dont le trou noir super-massif possède une masse des millions à des milliards de fois la masse du Soleil. Lorsque la matière y est engloutie, une partie devient des jets de particules émis à près de la vitesse de la lumière. Ces particules produisent des rayons gamma soit lorsqu'un photon de lumière visible ou infra-rouge, frappé, gagne de l'énergie et devient un rayon gamma, soit lorsqu'une particule du jet frappe le noyau d'un atome de gaz, la collision crée brièvement une particule, dite pion, que sa radioactivité naturelle transforme rapidement en deux rayons gamma. Des sources plus proches, à l'intérieur de la Galaxie, tels les pulsars ou les nuages de gaz, sont également des sources de rayons gamma. La mission Fermi, un télescope spatial dans les rayons gamma, lancé en juin 2008, a prouvé en 2010, que contrairement à ce qu'on pensait, les galaxies actives ne jouent qu'un rôle d'un tiers dans la production du rayonnement rayons gamma de fond, même avec leurs énergies d'entre 0,1 et 100 milliards d'électrons-volts (GeV) soit 100 millions à 30 milliards de fois l'énergie de la lumière blanche. Les nouveaux candidats à l'origine de ces rayons gamma sont donc à rechercher: l'accélération des particules dues à la formation des étoiles dans les galaxies normales est un bon candidat. Le sont aussi l'accélération de particules induites par, par exemple, la fusion d'amas de galaxies. Enfin, la matière noire, dont les particules -encore hypothétiques- pourraient interagir entre elles. Les rayons gamma de haute énergie, d'une façon générale, sont produits par une collision entre de la lumière à basse énergie et des particules accélérées. Le processus dit, en anglais, "inverse Compton process" ("processus Compton inverse") fait que, lorsqu'un électron se déplaçant près de la vitesse de la lumière frappe un photon à basse énergie, la collision ralentit légèrement l'électron alors qu'elle fait passer l'énergie lumineuse dans la zone des rayons gamma. Ce processus se voit dans les galaxies énergétiques appelées blazars et, pour ce qui est de la Galaxie, avec les restes d'explosion supernova et les nébuleuses liées au vent d'un pulsar, là où des étoiles à neutrons en rotation rapide accélèrent des particules jusqu'à près de la vitesse de la lumière