Les sursauts gamma

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Au début des années 1970, les satellites espions américains qui surveillaient d'éventuelles explosions atomiques enregistrent des bouffées de rayons gamma. Des mesures par triangulation ont vite montré que l'origine de ces rayonnements était non pas terrestre, mais extra-solaire. Et même extra-galactique.

observations du satellite BATSE
Voici le résultat de la localisation de 2704 mesures du satellite BATSE.
La distribution spatiale est parfaitement homogène, ce qui indique clairement une origine extra-galactique du phénomène.

Source NASA.

Les sursauts gamma (GRB, de l'anglais Gamma Ray Burst) sont les événements les plus énergétiques de l'univers connu, en dehors du Big Bang lui-même : de brèves impulsions de rayonnement gamma à très haute énergie, d'une durée comprise entre 10 millisecondes et une dizaine de secondes, suivies d'une queue de rayonnement dans toutes les fréquences du spectre (afterglow) qui peut durer plusieurs semaines. Les spectres mesurés montrent clairement une origine non-thermique du phénomène.

spectres de sursauts

Quelques spectres typiques de sursauts gamma.

Source : G.J.Fishman

On peut classer les sursauts gamma en deux types :

Le contrecoup (afterglow) de ces sursauts gamma est parfois visible depuis les observatoires au sol sous forme d'un éclat très lumineux semblable à celui d'une supernova.

 


Coalescence d'astres compacts

Une des premières hypothèses émises implique une paire d'étoiles à neutrons ou une étoile à neutron et un trou noir engagés dans un système binaire. Ces deux astres perdent de leur énergie par émission d'ondes gravitationnelles et finissent par "tomber" l'un sur l'autre.
Au moment de la rencontre - appelée coalescence - une onde de choc se propage à une vitesse proche de celle de la lumière dans le milieu environnant. Suite à cette coalescence, un trou noir se forme, animé d'une vitesse de rotation très élevée. Si un champ magnétique intense se développe dans le disque d'accrétion environnant, les particules présentes vont émettre un rayonnement synchrotron qui va apparaitre comme le sursaut gamma.

Dans un tel cas, le rayonnement est plus ou moins isotrope : il part dans toutes les directions de l'espace, et les calculs montrent que l'énergie mise en jeu doit être de l'ordre de 1053 ergs. Ceci correspond à l'énergie rayonnée par 1000 étoiles de type Soleil durant leur vie entière.
Cette énergie correspond également à environ 1000 fois celle rayonnée par une nova, d'où l'appellation de 'kilonova' pour ces événements.

Des simulations numériques montrent qu'un tel mécanisme peut rendre compte du premier type de sursaut gamma, les plus courts.

 


Le modèle des collapsars

Dans un certain nombre de cas, les sursauts gamma ont pu être mis en corrélation avec l'explosion visible de supernovae particulièrement violentes, appelées hypernovae.
Ces hypernovae seraient le résultat de l'effondrement cataclysmique d'étoiles de type Wolf-Rayet, très chaudes et très massives - au minimum de 25 masses solaires.
Le Dr Stan Woosley de l'Université de Californie a ainsi proposé le modèle du "collapsar" : à la fin de sa vie, le coeur de l'étoile va s'effondrer comme une supernova, mais les couches périphériques de l'étoile ne vont pas être affectées, vu la grande taille de cette étoile.
Le coeur effondré se transforme immédiatement en trou noir et s'entoure d'un disque d'accrétion à l'intérieur même de l'étoile.
En simplifiant, on peut dire que le disque d'accrétion en rotation va produire un intense champ magnétique et provoquer ainsi un double jet de matière à une vitesse proche de celle de la lumière. Ce jet, et l'onde de choc qui l'accompagne, vont provoquer une émission de rayons gamma dans leur axe.
Lorsque cette onde de choc émerge de la surface de l'étoile, sa collision avec les gaz environnant l'étoile va produire l' "afterglow" typique des GRB dans les domaines des rayons X, puis de la lumière visible et enfin des ondes radio, au fur et à mesure de son affaiblissement.

collapsar
Déroulement schématique d'un collapsar depuis la création du trou noir à l'intérieur de l'étoile, jusqu'à la destruction de celle-ci.
Les proportions ne sont pas respectées.

Dans ce scénario, la provenance des rayons gamma n'est pas établie avec certitude : en particulier sont ils formés à l'intérieur de l'enveloppe de l'étoile ou à l'extérieur ?

Ce jet de matière et cette onde de choc se propagent dans l'axe des poles du trou noir, qui correspond à l'axe de rotation de l'étoile. Le rayonnement gamma devient alors visible si l'observateur se situe dans cet axe.
Ce fait a deux conséquences importantes :

 


Distance des sursauts gamma

La corrélation des observations depuis des détecteurs gamma embarqués sur des satellites et les observations au sol a montré que ces sursauts gamma apparaissent dans des galaxies très lointaines, donc lorsque celles-ci étaient jeunes.

Dans le scénario de la coalescence d'astres compacts, les calculs montrent qu'effectivement, ces phénomènes doivent être beaucoup plus fréquents dans des galaxies jeunes.

taux de coalescence
Taux de coalescence de couples d'étoiles à neutrons (NS+NS) et de couples étoiles à neutrons et trou noir (NS+BH) en fonction de l'age de la galaxie hote exprimé en milliards d'années.
Ces évènements sont ainsi plus probables dans des galaxies jeunes, donc très éloignées.

Source : Lipunov et al.

De la même manière, les hypernovae apparaissent toujours dans des galaxies lointaines. C'est parce qu'il faut des étoiles très massives pour les produire. On pense que la première génération d'étoiles, au début de l'univers, a pu produire des étoiles supergéantes allant jusqu'à 200 masses solaires ou plus, beaucoup plus susceptibles de terminer en collapsar que les étoiles de la génération actuelle qui dépassent rarement 25 masses solaires.

De toute manière, il est souhaitable que ce genre de phénomène se produise loin de nous. Si une hypernova venait à éclater dans notre galaxie, et que la Terre se trouve dans l'axe du faisceau de radiations, le flux de rayons X et gamma détruirait la couche d'ozone de haute altitude, supprimant ainsi le bouclier qui nous protège des flux de particules en provenance du Soleil. La vie sur Terre serait alors bien compromise.
Heureusement, on ne connait que 3 étoiles dans la galaxie susceptibles de finir en hypernova d'ici moins d'un million d'années, dont la plus proche est Eta Carina, à 8000 années lumière. Mais on sait qu'en cas d'explosion de cette étoile, la Terre ne serait pas dans le faisceau de rayons gamma.

 


Références :
La coalescence des objets compacts (R. Mochkovitch)
Iron lines from GRBs : clues toward the progenitor (Böttcher & Fryer)
The Scenario Machine: Binary Star Population Synthesis (Lipunov et al.)
Observed GRB Properties (G.J. Fishman)
Collapsars, Gamma-Ray Bursts, and Supernovae (A. I. MacFadyen)
Cosmological Gamma-Ray Bursts and Hypernovae Conclusively Linked (ESO)
GRB Time Profiles and Spatial Distribution (R. Diehl)
The Collapsar model (K. Kretschmer)