Première détection de l'émission rémanente d'un sursaut gamma de très haute énergie
Publié par Redbran le 21/11/2019 à 14:00
Source: CEA IRFU
Les sursauts gamma sont des émissions très brèves et extrêmement énergétiques qui accompagnent des cataclysmes astrophsyiques comme la mort d'une étoile massive. Ils sont détectés jusqu'à présent par des rayons gamma énergétiques dans la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) prompt (<1min) correspondant à l'explosion initiale et dans une phase rémanente correspondant à l'expansion de l'onde de choc dans le milieu. Dans cette phase rémanente, on détecte des rayons gamma de basse énergie, du rayonnement X et visible. Les sursauts gamma peuvent-ils aussi émettre des rayons gamma de très haute énergie plusieurs heures après le sursaut initial ? jusqu'à présent on ne l'avait jamais encore détecté. Cette découverte a été faite en juillet 2018 par le télescope de 28 mètres du réseau H.E.S.S. en Namibie et a fait l'objet d'une publication dans Nature. Ces nouveaux résultats de H.E.S.S. permettent de poser des contraintes fortes sur les modèles de sursauts gamma cherchant à expliquer ces phénomènes d'accélérateurs cosmiques.


A gauche, le sursaut GRB 180720B en rayons gamma de très haute énergie, entre 10 et 12 heures (L'heure est une unité de mesure  :) après le sursaut, tel que vu par le grand télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la...) de H.E.S.S.. La croix rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) indique la position de GRB 180720B, déterminée à partir des mesures en optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). A droite, la même région 18h après le sursaut initial.

Le 20 juillet 2018, le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) de sursauts gamma GBM (Gamma-Ray Burst Monitor) à bord du satellite (Satellite peut faire référence à :) Fermi, suivi quelques secondes plus tard par le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son homologue terrestre de...) Swift, a émis une alerte sur les réseaux mondiaux concernant un sursaut gamma (Les sursauts gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons gamma qui apparaissent aléatoirement dans le ciel. Ils sont situés à de...), appelé alors GRB 180720B. Dans la foulée de cette alerte, plusieurs observatoires terrestres ont immédiatement pointé dans la direction du sursaut gamma. Pour le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), cette position sur le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) n'était observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus...) qu'une fois la nuit tombée, 10 heures plus tard. Néanmoins, l'équipe de H.E.S.S. a décidé d'observer cette position afin de rechercher une éventuelle émission durant la phase rémanente du sursaut.

Des explosions cosmiques extrêmement énergétiques sont à l'origine de sursauts gamma (GRB, pour Gamma Ray Bursts), durant typiquement quelques dizaines de secondes seulement. Ces sursauts sont suivis par une phase plus longue d'émission dite rémanente en optique et en rayons X, émission décroissant rapidement au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). L'émission prompte en rayons gamma est composée essentiellement de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) de milliers à des millions de fois plus énergétiques que ceux composant la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), photons qui ne peuvent être observés que par des instruments spatiaux. Tandis que les observatoires spatiaux ont détecté une poignée de photons d'énergie encore plus élevée, la question d'une éventuelle émission gamma de très haute énergie (au moins 100 milliards de fois plus élevée que celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de...) visible) était restée en suspens.


Le grand télescope central de H.E.S.S. télescope, doté d'un miroir de 614 m², et en second plan deux des quatre télescopes de plus petite taille, équipés chacun d'un miroir de 107 m².

Cette émission de très haute énergie a maintenant été détectée par le grand télescope de H.E.S.S., spécialement conçu pour des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) de ce type. Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) collectées entre 10 et 12 heures après le sursaut gamma ont mis en évidence une nouvelle source, ponctuelle, d'émission gamma coïncidant avec le sursaut, qui a disparu dans les observations réalisées sur la même position 18 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale)...) plus tard.

Le sursaut GRB 180720B était très intense, et dura environ 50 secondes, une durée relativement élevée indiquant probablement la mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des étoiles). Chez les...) d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) massive (Le mot massif peut être employé comme :). Dans ce processus, le cœur de l'étoile s'effondre pour donner un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en...) en rotation rapide. Le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de...) environnant forme alors un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet...) d'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) entourant le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979. L'histoire est inspiré du roman Vingt mille lieues sous les...), accompagné de jets de gaz éjectés perpendiculairement au disque d'accrétion et qui sont à l'origine des sursauts gamma.

L'émission gamma de très haute énergie ainsi détectée démontre pour la première fois la présence de particules accélérées à des énergies extrêmes, et indique également que ces particules existent encore, voire sont créées longtemps après le sursaut initial. L'hypothèse sous-jacente la plus vraisemblable est la présence d'une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de...) créée par l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue...) initiale, onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière....) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) se comportant comme un accélérateur cosmique de particules. Avant les observations de H.E.S.S., on pensait que cette éventuelle émission gamma de très haute énergie ne serait observable que pendant les premières secondes ou minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) après l'explosion.

Au moment des mesures effectuées par H.E.S.S., l'émission en rayons X de la phase rémanente avait déjà décru de façon considérable. Cependant, et de manière tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait remarquable, les intensités et formes spectrales sont très similaires entre les rayons X et les rayons gamma. Plusieurs processus physiques permettent d'expliquer l'émission de photons gamma de très haute énergie par des particules accélérées à des énergies très élevées. Les résultats de H.E.S.S. permettent de poser des contraintes fortes sur les mécanismes potentiels d'émission, mais apportent également leur lot de nouvelles interrogations, car ils requièrent des caractéristiques assez extrêmes pour que ces GRB puissent agir comme des accélérateurs cosmiques.

Associée à d'autres observations plus récentes d'émission gamma de très haute énergie par MAGIC (MagiC est un système d'exploitation propriétaire multitâche pour ordinateurs Atari ST et compatibles. Il a été porté sur PC et...) et de nouveau par H.E.S.S., cette découverte apporte un nouvel éclairage sur la nature des sursauts gamma.

Contact: Fabian Schussler


Pour plus d'information voir:

Structure et évolution de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Phénomènes cosmiques de haute énergie et astroparticules

Le Département de Physique des Particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses...) (DPhP)

Astroparticules

H.E.S.S.H.E.S.S. 2
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