Gravité et grande unification
Les sursauts gamma : une violence encore à déchiffrer…


Les sursauts gamma ont été découverts à la fin des les années soixante sous le sceau du secret défense des États-Unis, par les satellites militaires chargés de vérifier que les soviétiques ne se livraient pas clandestinement à des essais nucléaires, désormais bannis par un traité international. C’est en quelque sorte la violence humaine qui, cette fois, a mis les astronomes sur la piste de ces objets encore bien mal connus.

En surveillant d’éventuelles bouffées de rayons gamma que des explosions nucléaires dans la haute atmosphère ne manqueraient pas de produire, les détecteurs en orbite autour de la Terre ont détecté ce que nous savons maintenant être des événements cosmiques d’une puissance considérable, produits par une "boule de feu", un plasma initialement très dense et très chaud, se déplaçant à une vitesse égale à la vitesse de la lumière, à seulement un millionième près! D’un point de vue observationnel, ces événements se manifestent par la détection soudaine d’un flux très intense de rayons gamma, s’étalant sur une durée allant d’un dixième de seconde à une ou deux minutes. Des échelles de temps si brèves sont toujours très surprenantes pour un phénomène cosmique, surtout lorsque l’intensité qui le caractérise est aussi considérable. Tellement considérable, d’ailleurs, que de nombreux chercheurs ont longtemps estimé que ces "sursauts gamma" devaient provenir d’une distance relativement modeste, peut-être même de notre système solaire. Mais la distribution apparemment aléatoire des directions dans lesquelles ces événements étaient observés – au rythme de un par jour, environ – semblait plaider pour une origine beaucoup plus lointaine, bien au-delà de notre galaxie, peut-être aux confins de l’univers observable. Seul problème : si les sources sont lointaines, il faut que leur puissance soit encore bien plus grande pour expliquer les intensités observées. De fait, les étoiles que nous voyons briller dans le ciel sont aussi lumineuses, intrinsèquement, que notre soleil (voir beaucoup plus, pour nombre d’entre elles), mais elle n’apparaissent que comme de faibles points de lumières aux yeux des terriens, éloignés d’elles de quelques années-lumière. Il suffira alors d’indiquer que ces sursauts gamma sont situés à des distances pouvant aller jusqu’à dix milliards d’années-lumière et qu’ils sont néanmoins capables d’affecter de manière macroscopique l’ionosphère de la Terre lorsque leurs photons énergétiques l’irradient soudainement, pour donner une idée de la puissance extrême de ces événements.

Si nous savons maintenant que ces sources sont lointaines, nous ignorons toujours le mécanisme exact qu’elles mettent en œuvre. Il semble qu’il y ait deux types de sursauts gamma : les "courts", d’une durée de l’ordre de la seconde, et les "longs", s’étalant sur environ une minute. Ce sont les premiers qui sont le moins bien connus, mais qui pourraient être liés à la "coalescence" de deux étoiles à neutrons. Les sursauts longs, quant à eux, sont liés à l’explosion d’étoiles massives, et donc d’une certaine façon aux supernovæ. On le sait parce qu’en braquant suffisamment vite – en quelques minutes! – des télescopes classiques dans la direction de certains de ces sursauts, on parvient à détecter la lumière faiblissante des supernovæ qui leur sont manifestement associées. Mais on ignore encore quelle fraction des supernovæ produit effectivement un sursaut gamma, ainsi que ce qui détermine l’apparition de ce phénomène additionnel. Certains soutiennent que ce sont les étoiles hypermassives, de l’ordre de cent fois la masse du Soleil, qui sont les progéniteurs de sursauts gamma. D’autres font valoir que la formation d’un sursaut gamma pourrait être liée à une explosion asymétrique, peut-être influencée par la présence d’un compagnon pour l’étoile impliquée. Il se pourrait qu’un sursaut gamma ne se produise en moyenne qu’une fois tous les millions d’années dans une galaxie comme la nôtre. À l’autre extrême des scénarios envisagés, ce sont pratiquement toutes les supernovæ qui seraient accompagnées d’un sursaut gamma, même si ce dernier ne se donne à voir que très rarement, car l’émission de lumière énergétique serait limitée à un cône très mince autour d’un axe d’explosion privilégié.

On le voit, ces événements exceptionnels sont encore très mal connus, mais ils font l’objet d’études approfondies, tant théoriques qu’observationnelles, et on espère en apprendre davantage dans les années qui viennent, peut-être grâce à l’observation de neutrinos qui seraient émis en même temps que les photons gamma. Car ces sursauts gamma, outre leur intérêt éminent en tant que sources astrophysiques de très haute énergie, sont peut-être impliqués dans la génération des rayons cosmiques, ces particules énergétiques qui sillonnent les galaxies et l’univers et dont on ignore toujours l’origine exacte. Les plus énergétiques d’entre eux, dont on peine particulièrement à comprendre l’origine, sont peut-être accélérées au sein de ces sursauts gamma. Enfin, ces derniers intéressent beaucoup les cosmologistes en raison de leur éclat inégalé, qui permet de les observer jusqu’à des distances considérables et ainsi d’arpenter l’univers pratiquement jusqu’à ses confins.

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Violences dans le cosmos - vidéo - interview de Stavros Katsanevas, directeur-adjoint de l'IN2P3/CNRS