Sursaut gamma
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Sursaut gamma GRB990123, prise par le télescope spatial Hubble, le 23 janvier 1999
Sursaut gamma GRB990123, prise par le télescope spatial Hubble, le 23 janvier 1999

Les sursauts gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons gamma qui apparaissent aléatoirement dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.). Ils sont situés à de très grandes distances de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive...), et sont de ce fait les évènements les plus lumineux de l’Univers, après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble...).

Histoire

Les premières détections de sursauts gamma ont eu lieu en 1969 par les satellites militaires américains de la série Vela, chargés de contrôler l’application de l’interdiction des tests atomiques atmosphériques. Ce n’est qu’en 1973 que cette information a été rendue publique, ouvrant un nouveau champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) astronomique. Jusqu’à la fin des années 1980, on n’a su que très peu de choses de ces phénomènes : ils sont imprévisibles, leur éclat est très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques, une variable peut aussi...) et leur spectres non thermiques. Ce sont les expériences françaises PHOEBUS et américaine BATSE qui ont apporté la première grande avancée majeure : les sursauts gamma se répartissent en deux groupes distincts, des sursauts courts et des sursauts longs. Si la durée des premiers ne dépasse pas 2 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 ( 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. ...). Les plus longs ne sont cependant observables que pendant une vingtaine de minutes, ce qui explique la grande difficulté de leur observation (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...). La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...) grande découverte fut le fait de BeppoSAX, un satellite (Satellite peut faire référence à :) Italo-Hollandais qui observa pour la première fois une émission rémanente aux sursauts gamma le 28 février 1997. C’est grâce à ces observations et aux suivantes (BeppoSAX a observé plusieurs dizaines de sursauts gamma) que notre compréhension du phénomène des sursauts gamma a progressé. Depuis la fin de la mission de BeppoSAX, d’autres observatoires spatiaux tel que Swift (américain) aidés d’observatoires automatiques complètent nos connaissances sur le sujet.

Origine

Les sursauts gamma sont liés aux stades ultimes de l’évolution stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.) et aux trous noirs. Les disparités observées entre les sursauts longs et les sursauts courts ont conduit depuis longtemps à penser que l’astre à l’origine du 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...), le progéniteur, devait être en fait de deux natures diverses. On pense depuis 1998 que les sursauts longs (les plus étudiés) sont liés à 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’étoile massives. Ce fait a été confirmé par l’observation de plusieurs sursauts gamma associés à des supernovae de type Ib/c en 2003. S’il n’est pas encore clair pourquoi toutes les étoiles massives ne produisent pas de sursaut gamma, on est certain en revanche que certaines étoiles massives produisent des sursauts gamma, et que ces sursauts nous sont visibles uniquement parce que nous nous trouvons dans la ligne de visée d’un jet de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) éjectée à des vitesses fantastiques (de l’ordre de 99,995 pour cent de la vitesse (On distingue :) de la lumière). C’est le 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.) de cette matière avec le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec des densités...) qui produit l’émission rémanente. On suppose que ces jets sont produits par 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 échapper...) en formation lors de la mort de l’étoile massive (Le mot massif peut être employé comme :).

La nature des sursauts courts a été plus élusive pendant longtemps. C’est finalement en 2005, suite à des observations de HETE-2 que la position précise d’un sursaut court a pu être obtenue [1]. Grâce à elle, il a été possible de montrer que les caractéristiques des galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la...) contenant les sursauts gamma courts sont très différentes de celles des galaxies contenant les sursauts gamma longs. Ceci a privilégié l’hypothèse que le progéniteur des sursauts courts n’est pas 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...) massive mais une binaire contenant des objets compacts (étoile à neutrons ou trou noir). Ces binaires rayonnent de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles et peu à peu se rapprochent. Lorsqu’ils deviennent trop proches l’un de l’autre, les objets compacts fusionnent, donnant naissance à un trou noir. C’est cette naissance qui serait annoncée à travers l’Univers par un bref flash de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) gamma.

Les sursauts gamma pour mieux comprendre la formation des étoiles

Les sursauts gamma longs sont directement liés aux étoiles, et il est possible d’étudier la formation des étoiles à partir de l’étude des sursauts gamma. La luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) qui les caractérise permet en effet de les détecter jusqu’aux confins de l’Univers. Or, une propriété remarquable 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 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...) est sa vitesse finie : les photons que nous recevons des sursauts gamma les plus lointains ont été envoyés il y a plus de 10 milliards d’années (le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) qu’ils ont mis pour nous rejoindre), et nous montrent l’Univers tel qu’il était à ce moment là. Nous pouvons dès lors étudier ces époques révolues et mieux comprendre comment se sont formées les étoiles anciennes, comment elles ont évolué et comment elles ont influencé le contenu de l’Univers.

Les sursauts gamma en détails : le modèle de la boule de feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.)

On explique le phénomène des sursauts gamma par le modèle de la boule de feu. Dans ce modèle, un progéniteur va expulser de la matière à des vitesses ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se...) relativistes. Cette matière est composée presque uniquement d’électrons, plus faciles à accélérer, et qui de plus rayonnent plus efficacement leur énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). L’énergie contenue dans les autres particules (protons) est en quelque sorte piégée, et donc perdue pour produire du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) (on pense toutefois que ces protons accélérés font partie des rayons cosmiques observés par les astrophysiciens).

La boule de feu n’est pas quelque chose d’homogène. Outre le fait qu’elle doive avoir une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle,...) (on parle de jets de particules focalisés dans notre direction), l’éjection n’est pas continue mais se fait par spasmes : la " boule de feu " est composée de couches successives, qui voyagent chacune à une vitesse différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans...). Lorsque deux couches se rejoignent (la plus rapide rattrapant l’autre), il se produit une brusque émission de photons gamma. C’est cette course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) poursuite des diverses couches de matière qui est responsable de l’émission prompte, avec sa grande variabilité temporelle.

La boule de feu, lors de son expansion, va également balayer le milieu environnant le progéniteur du sursaut, telle 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...). Lors de cette interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.), la boule de feu est freinée par le milieu, et va se mettre à rayonner de l’énergie à toutes les longueurs d’onde. Ce rayonnement est l’émission rémanente.

À ces deux mécanismes se rajoutent d’autres composantes liées à la dynamique des fluides (La dynamique des fluides est l'étude des mouvements des fluides, qu'ils soient liquide ou gaz. La résolution d'un problème de dynamique des fluides demande normalement...) choqués (une 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...) de choc en retour se propage par exemple dans les parties internes de la boule de feu lors de l’interaction avec le milieu externe) ou à la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination s'oppose à celle de physique...) (tel que des composantes inverse Compton), qui compliquent l’étude globale du rayonnement de la boule de feu. On peut cependant noter que puisque l’émission rémanente est due à l’environnement du progéniteur, c’est l’étude de cette émission qui est privilégiée pour connaître les conditions régnant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) des étoiles responsables des sursauts gamma.

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