Sursaut gamma

Les sursauts gamma sont découverts accidentellement en juillet 1967 par deux satellites américains Vela chargés de contrôler l’application du traité portant sur l’interdiction des tests atomiques atmosphériques en détectant d'éventuelles explosions atomiques[4]. Pour identifier celles-ci, ces satellites disposent de détecteurs de rayons X et de rayons gamma. Les exemplaires de la première version, Vela 1, de cette famille de satellites sont lancés en 1963, mais ils disposent d'une instrumentation peu sensible. Un des problèmes rencontrés par les concepteurs de ces engins est que les détecteurs pouvaient réagir à des particules issues de sources déjà connues (rayonnement cosmique émis par le Soleil, rayonnement émis par une supernova...). En juillet 1967, un signal de quelques secondes présentant un double pic atypique est perçu simultanément par les détecteurs de deux satellites Vela 4. Les ingénieurs du Laboratoire national de Los Alamos dirigés par Ray Klebesadel (en), qui analysent les données fournies par les satellites Vela, recherchent une explication, mais aucune tempête solaire ni supernova n'est en cours à cette date. L'équipe du laboratoire a conscience qu'il s'agit d'un phénomène inexplicable, mais, dans la mesure où les détecteurs ne fournissent ni la localisation de la source, ni la distance de celle-ci, ils reportent une analyse plus poussée à la mise en service de détecteurs de meilleure qualité embarqués sur les générations suivantes des satellites Vela. Celles-ci sont déployées en orbite entre 1969 (Vela 5) et 1970 (Vela 6). Après un délai dû à une mise au point de ces nouveaux engins spatiaux plus complexe que prévu, les données fournies par les nouveaux détecteurs sont dépouillées. En comparant l'heure précise de détection des sursauts gamma par les différents satellites, les ingénieurs parviennent par triangulation à identifier et situer de manière assez précise la source de 16 signaux gamma présentant les mêmes caractéristiques atypiques (brièveté, intensité et courbe de lumière), ce qui leur permet d'éliminer les sources de rayonnement connues à cette époque (Supernova, Terre, Lune, Soleil)[5]. Les données, qui étaient couvertes par le secret militaire du fait de la nature du programme Vela, sont déclassifiées en 1973 et la découverte des signaux mystérieux est rendue publique dans un article rédigé par l'équipe de Los Alamos et publié dans le journal Astrophysical Journal. Le nouveau phénomène est baptisé sursaut gamma ou GRB (« Gamma Ray Burst »)[6].

• Vela
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  Détecteur d'un satellite Vela 5B.
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  Le premier signal d'un sursaut gamma enregistré le 2 juillet 1967 par un instrument embarqué sur un satellite Vela 4.

Le premier réseau Interplanetary Network (IPN) mis en place à compter de 1978 comprend des détecteurs installés sur plusieurs engins spatiaux choisis parce que la distance entre eux rend un repérage des sursauts gamma par triangulation efficace.

Jusqu'en 1991, très peu de progrès dans l'explication du phénomène sont réalisés, car l'observation des rayons gamma d'origine galactique ou extra-galactique présente de nombreuses difficultés. Une observation précise depuis la Terre n'est pas possible, car les photons gamma interagissent avec les atomes de l'atmosphère terrestre et se transforment en produisant des cascades électromagnétiques. L'observation depuis l'espace se heurte au très grand pouvoir de pénétration dans la matière des photons gamma très énergétiques, ce qui empêche leur détection à l'aide d'instruments optiques conventionnels[7]. Les détecteurs de rayons gamma disponibles à l'époque sont rudimentaires. Or le positionnement précis de la source dans le ciel est crucial pour pouvoir lui associer un objet céleste (étoile, galaxie, etc.) observable, par exemple, en lumière visible ou dans le rayonnement X, ce qui permettrait d'expliquer et d'étudier ce phénomène. Par ailleurs, compte tenu de la durée très brève du rayonnement gamma (quelques minutes au plus), la rapidité des recherches avec une instrumentation classique est sans doute essentielle pour découvrir sa source[7]

Faute de disposer de détecteurs capables de fournir la position précise des sursauts gamma, la communauté astronomique met en place en 1978 le Réseau Interplanétaire — Interplanetary Network (IPN) — chargé de centraliser les données collectées par les engins spatiaux équipés de détecteurs de rayons gamma et X durs. L'enregistrement de l'heure précise d'arrivée du rayonnement gamma au niveau de chaque instrument permet par triangulation de déterminer la position de la source à quelques minutes d'arc près. La précision est d'autant meilleure que les engins sont distants les uns des autres, aussi les sondes spatiales explorant le système solaire sont particulièrement impliquées. Les premières missions de l'IPN sont la sonde solaire Helios 2, les missions vénusiennes Pioneer Venus Orbiter, Venera 11 et Venera 12, et deux engins orbitant autour de la Terre Prognoz 7 et ISEE-3[8] - [9]. L'IPN permet d'identifier de nombreuses sources de sursauts gamma dont la position dans le ciel ne correspond à aucun phénomène astronomique identifié[4].

Les 5 et 6 mars 1979, deux sursauts gamma sont détectés par les instruments de Venera 1 et 12, puis 11 secondes plus tard, par celui de Helios 2 et dans les secondes suivantes, par Pioneer Venus Orbiter et enfin par les satellites terrestres Vela, Prognoz et HEAO-2. La comparaison de l'heure d'arrivée des signaux permet de localiser leur source dans la constellation de la Dorade[10]. Les signaux mesurés ne présentent pas les caractéristiques habituelles des sursauts gamma. La position de la source SGR 0525-66 coïncide avec le rémanent de la supernova N49 situé dans le Grand Nuage de Magellan. L’interprétation de cette découverte va être le sujet d'une controverse qui durera une dizaine d'années. Pour les uns, le rémanent ne peut être la source du rayonnement, car cet objet est situé dans une autre galaxie et la production du signal nécessiterait une quantité d'énergie trop élevée. D'autres soulignent que le signal présente des caractéristiques inhabituelles pour un sursaut gamma, ce qui sera confirmé par la suite avec l'identification d'un nouveau type de phénomène, le sursauteur gamma mou, dont SGR 0525-66 est le premier exemplaire découvert[4].

Courbes de lumière du rayonnement gamma de plusieurs sursauts gamma fournis par l'instrument BATSE : la forme des signaux varie fortement.

Jusqu’à la fin des années 1980, les données dont disposent les astronomes sur les sursauts gamma sont réduites : ceux-ci sont imprévisibles, leur éclat est très variable et leur spectre est non thermique. La NASA lance en 1991 un observatoire spatial de grande taille (il s'agit d'un de ses quatre « grands observatoires ») consacré à l'étude du rayonnement gamma. CGRO dispose de quatre instruments couvrant un spectre d'énergie très étendu, allant de 20 keV à 30 Gev. L'instrument BATSE permet de réaliser une carte de la distribution de 2 704 sursauts gamma dans le ciel (carte ci-dessous), ainsi qu'une étude statistique sur la durée des émissions gamma et les longueurs d’onde des pics d’énergies de leurs courbes de lumière. Ces données permettent deux avancées majeures. D'une part, elles permettent une première classification des sursauts gamma qui se répartissent en deux groupes distincts. La classification proposée se base sur la durée de l’événement et ses propriétés spectrales : les sursauts courts (dont le maximum d'émission est à très haute énergie) et les sursauts longs (qui ont un maximum spectral à plus basse énergie, typiquement vers 100 keV). Si la durée des premiers ne dépasse pas deux secondes (elle est plus typiquement de l’ordre de quelques dixièmes de secondes), les seconds peuvent être observés dans le ciel pendant quelques secondes, voire quelques minutes. Les plus longs ne sont cependant observables que pendant une vingtaine de minutes, ce qui explique la grande difficulté de leur localisation précise. La deuxième découverte, la plus importante, est que les sources se répartissent de façon isotropique sur la sphère céleste. Ce constat semble exclure que les sources des sursauts gamma se situent dans notre Galaxie, car, si c'était le cas, on devrait avoir une concentration dans la direction du plan galactique, et même du centre galactique, étant donné la position excentrée du Système solaire. Mais l'origine extragalactique, forcément beaucoup plus lointaine, est contestée, car elle impliquerait que le sursaut gamma soit associé à une explosion énergétique gigantesque qu'aucun processus astronomique ne peut expliquer[11].

Ces données contradictoires divisent la communauté astronomique. La controverse se cristallise dans le débat qui oppose, en 1995, Bohdan Paczyński partisan d'une origine extragalactique et Donald Q. Lamb, qui considère que le phénomène est généré par des étoiles à neutrons situées à la périphérie de notre Galaxie. Selon Lamb et les partisans de cette théorie, le caractère isotropique des sursauts gamma serait expliqué par la présence d'étoiles à neutrons dans le halo galactique de la Voie lactée qui, grâce à leur vitesse, se sont échappées du disque de notre Galaxie. Pour permettre de trancher, il faudrait disposer d'instruments capables de mesurer la distance[12].

• BATSE
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  Sources des sursauts gamma fournis par l'instrument BATSE de l'observatoire spatial CGRO (la couleur correspond à l'énergie totale reçue).
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  Répartition des sursauts gamma (nombre de sursauts en ordonnée) observés par BATSE en fonction de la durée (en abscisse) : deux classes de sursaut gamma peuvent être distinguées.

L'observatoire Beppo-SAX (vue d'artiste).

Placé en orbite le 30 avril 1996, Beppo-SAX est un observatoire spatial italo-hollandais équipé à la fois de détecteurs de rayonnement gamma et de détecteurs de rayons X dotés d'une bonne résolution angulaire (1,2 minute d'arc pour un rayonnement X ayant une énergie de 6 keV), ce qui lui permet de fournir une position suffisamment précise de la source d'un sursaut gamma. Plus crucial encore, la chaine de transmission des alertes aux observatoires terrestres a été optimisée et ceux-ci disposent de la position d'un sursaut gamma quelques heures après son apparition, alors que ce délai se chiffrait en jours pour le réseau IPN. Celui-ci n'est pas destiné à l'observation des sursauts gamma, mais ses caractéristiques vont permettre d'effectuer une percée décisive. Le 28 février 1997, les instruments de Beppo-SAX détectent le sursaut gamma GRB 970228, puis observent quelques heures plus tard une nouvelle source de rayonnement X dont la position est fournie avec une précision de 50 secondes d'arc. Pour la première fois, une rémanence du phénomène était observée dans une autre longueur d'onde. L'information est relayée aux observatoires terrestres et une contrepartie optique (en lumière visible), qui disparaît moins d'une semaine plus tard, est découverte sur une photographie prise le même jour par le télescope William-Herschel, implanté dans les îles Canaries. La position de GRB 970228 a été obtenue avec une précision d'une seconde d'arc, ce qui permet au télescope Hubble de découvrir à cet emplacement une tache floue bleuâtre que la plupart des spécialistes identifient comme une galaxie lointaine. Cette découverte semble confirmer l'origine extra galactique des sursauts gamma, mais les opposants à cette théorie argumentent qu'il pourrait s'agir de la rémanence d'une étoile à neutrons bien plus proche[13]. La découverte de ces émissions rémanentes constitue une percée décisive, car dans ces gammes d'ondes les observations sont plus faciles et la durée de cette émission se poursuit, bien qu'en s'affaiblissant, pendant des jours sinon des semaines. Les astronomes en observant les contreparties optique et X des sursauts vont pouvoir déterminer précisément la position et la distance des sources, et donc l'énergie émise, effectuer un rapprochement avec les autres objets célestes présents, et réaliser une analyse spectroscopique poussée[4] - [14] - [15].

Le 8 mai 1997 la théorie intra-galactique est définitivement mise hors course à la suite de la détection par BeppoSax d'un nouveau sursaut gamma, dont la contrepartie optique peut être observée par Keck II, à l'époque le plus grand télescope du monde, avec son miroir de 10 mètres de diamètre. Les astronomes obtiennent un spectre de la rémanence de GRB 970508, dans lequel ils identifient sans ambiguïté les raies spectrales du fer et du magnésium sous forme gazeuse. Celles-ci présentent un décalage vers le rouge de 0,83, qui permet d'en déduire la distance de leur source : GRB 970508 se situe à environ 6 milliards d'années-lumière. Un signal radio est également détecté en provenance du même site. Les astronomes déduisent de la forme du signal que sa source se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière. Fin 1998, plus de 20 sursauts gamma ont été localisés avec une précision de quelques minutes d'arc et, pour six d'entre eux, la distance a été établie grâce à la mesure du décalage vers le rouge du rayonnement. Ces observations réfutent définitivement la théorie d'une source située dans la Voie lactée (notre Galaxie), mettant fin à une polémique qui dure depuis une décennie[16].

Le 23 janvier 1999, le sursaut gamma GRB 990123 (en), d'une intensité particulièrement élevée, est détecté par l'instrument BATSE de l'observatoire spatial CGRO. Moins de 22 secondes plus tard, un premier instrument au sol est braqué sur la contrepartie optique qui a pu être identifiée. L'énergie libérée est évaluée à 10⁴³ joules par seconde soit 1 000 fois plus que le quasar le plus lumineux, 100 billiards (10¹⁷) de fois plus que notre Soleil, ou encore un million de fois plus que notre Galaxie tout entière. La source, qui se situe à 9 milliards d'années-lumière, apparaît comme un objet d'une magnitude apparente de 9. La forte intensité du signal et l'intervention rapide des observatoires terrestres et spatiaux, dont le télescope Hubble, permettent de collecter de nombreuses informations. L'analyse des résultats par les astronomes leur permet de conclure que le sursaut gamma émet son rayonnement dans un faisceau étroit, et qu'en conséquence le phénomène n'est visible depuis la Terre que si ce faisceau est dirigé vers celle-ci[4] - [17] - [18] - [19].

• Les sursauts gamma ayant joué un rôle clé dans la compréhension de ce phénomène
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  Image de la zone du ciel où est située la rémanence en lumière visible du sursaut gamma GRB 970228 prise par le télescope spatial Hubble. Sa position se superpose pratiquement avec celle d'une galaxie mais les tenants de l'origine galactique ne seront définitivement convaincus qu'avec la découverte de GRB 970508.
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  La contrepartie optique du sursaut gamma GRB990123, image prise par le télescope spatial Hubble le 23 janvier 1999, d'une intensité exceptionnelle débouche sur l'hypothèse d'un faisceau de rayonnement étroit.

En octobre 2000, la NASA lance l'observatoire gamma HETE-2 développé avec notamment une participation instrumentale japonaise et française. Cet engin spatial est le premier observatoire uniquement consacré à l'étude des sursauts gamma. Dans ce but, il dispose de détecteurs de rayons gamma et X permettant de localiser les sursauts gamma avec une précision d'environ 10 secondes d'arc presque en temps réel, et de transmettre leur position directement à un réseau de récepteurs situés dans les observatoires au sol permettant des programmes de suivi rapides et sensibles dans les domaines radio, IR et visible[4]. Le 4 octobre 2002, il observe le sursaut gamma long GRB021004 d'une durée de 100 secondes, dont il transmet la position quelques secondes plus tard aux observatoires de la Terre entière. De nombreux télescopes sont pointés quelques minutes après l'extinction du rayonnement gamma sur la position communiquée. Leurs observations du rayonnement rémanent confirment la théorie qui associe les sursauts gamma longs et les collapsars c'est-à-dire l'effondrement d'une étoile géante donnant lieu à la création d'un trou noir[20] - [21]

Swift, lancé en 2004, est un télescope spatial multi spectral (rayons gamma, rayons X, ultraviolet, lumière visible) développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, avec des contributions importantes de l'Italie et du Royaume-Uni. Il prend la suite d'HETE-2, mais avec des instruments permettant des observations plus poussées. L'engin spatial comprend un télescope gamma à masque codé BAT qui permet l'observation d'un huitième de la sphère céleste et la localisation de la source du sursaut gamma à quelques minutes d'arc près. Cet instrument est combiné avec un télescope rayons X XRT et un télescope optique (lumière visible/ultraviolet) UVOT co-alignés qui sont pointés automatiquement quelques secondes après la détection du sursaut et fournissent une position précise à 0,3 seconde d'arc lorsqu'une contrepartie optique est trouvée . En moins de 90 secondes une position précise est fournie aux autres observatoires terrestres et spatiaux[22]. Swift a observé plus de 1 000 sursauts gamma début 2016 et est toujours opérationnel. Il a permis de déterminer la contrepartie X et visuelle de nombreuses sources situées dans des galaxies lointaines et de confirmer que la plupart des sursauts gamma sont associés soit à l'effondrement d'une étoile géante aboutissant à la formation d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons (sursauts longs), soit à la fusion de deux étoiles à neutrons binaires (sursauts courts)[23]. Le comportement de cette émission rémanente a pu être ainsi précisé : après une première phase de décroissance rapide, existe un plateau, puis une nouvelle décroissance au bout de quelques heures[24]. L'interprétation de cette évolution en trois phases n'a pas encore trouvé une explication précise.

Les trois instruments de l'observatoire spatial Swift - rayons gamma (BAT), rayons X (XRT) et visible ultraviolet (UVOT) - permettent de localiser de manière rapide et précise le sursaut gamma.

Le sursaut GRB 211211A, observé le 11 décembre 2021 par le télescope spatial Swift, est une explosion lumineuse très énergétique survenue il y a près d'un milliard d'années. Sa durée (une cinquantaine de secondes) le classe parmi les sursauts longs mais son spectre électromagnétique est celui d'une kilonova, signature classique d'une fusion d'étoiles à neutrons. Une explication avancée en 2022 est la formation d'un magnétar après cette fusion, mais en 2023 la question reste ouverte[26] - [27].

• (en) Gilbert Vedrenne et Jean-Luc Atteia, Gamma-Ray Bursts : The brightest explosions in the Universe, Springer, 2009, 580 p. (ISBN 978-3-540-39085-5)
• (en) Joshua S. Bloom, What Are Gamma-Ray Bursts?, Princeton University Press, 2011, 280 p. (ISBN 978-0-691-14557-0)
• (en) A. J. Castro-Tirado, J. Gorosabel, I. H. Park et al., Gamma-ray bursts : 15 years of GRB, Les Ulis, EDP sciences, 2013, 675 p. (ISBN 978-2-7598-1002-4)
  Bilan 2013 et perspectives dans le domaine des sursauts gamma

• Liste de sursauts gamma
• Sursaut radio rapide
• Astronomie gamma

Missions consacrées en partie aux sursauts gammas

• CGRO
• Beppo-SAX
• HESS
• HETE
• SWIFT
• SVOM

Sources astronomiques

• Trou noir
• Étoile à neutrons
• Supernova
• Hypernova
• Collapsar

• Vidéo d'un exposé de Frédéric Daigne de l'IAP sur le canal U (mai 2015)
• Article du Laboratoire Univers et Particules de Montpellier
• Présentation de du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
• Historique des découvertes associées aux sursauts gamma
• (en) Le débat Paczynski - Lamb de 1995 sur la distance à laquelle se situe les sources des sursauts gamma
• (en) Animation montrant la position, l'intensité (diamètre des cercles) et la durée (durée de persistance) des sursauts gamma découverts depuis leur découverte en juillet 1969
• (en) Histoire de l'étude des sursauts gamma de l'origine à 1997 (pages 147-160)