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Des sondes de l’Univers lointain

Grâce à la possibilité d’observer les sursauts gamma dans le domaine de la lumière visible et infrarouge, on sait désormais qu’ils se produisent dans des galaxies très lointaines, si éloignées que certaines d’entre elles sont répertoriées comme les objets les plus distants mesurés aujourd’hui. Or, compte tenu de la vitesse finie de la lumière, regarder loin c’est remonter le temps et ainsi observer loin dans le passé ! Tels des phares éphémères du cosmos, les sursauts gamma permettent donc de sonder l’Univers aux différentes époques de son histoire et de mieux comprendre comment les galaxies se sont formées au cours du temps.

Toujours plus loin

Ces flashs sont des outils prometteurs pour sonder l’Univers jeune, son contenu et pouvoir ainsi étudier les étapes de son évolution. Par exemple, le sursaut le plus lointain identifié à ce jour, GRB090423, s’est produit 630 millions d’années après le Big Bang, lorsque l’Univers était encore dans sa prime jeunesse.

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Image infrarouge de la contrepartie du sursaut gamma GRB090423 obtenue avec le télescope GEMINI situé à Hawaii. Crédits : Gemini Observatory / NSF / AURA, D. Fox & A. Cucchiara (Penn State U.), and E. Berger (Harvard Univ.)

Ce sursaut long serait issu d’un « collapsar », explosion d’une étoile très massive qui s’est effondrée sur elle-même sous l’effet de son propre poids. Avec une masse d’au moins 20 à 30 fois celle du Soleil, cet astre rare pourrait faire partie des toutes premières générations d’étoiles. Ces étoiles, dites de “population III” seraient très massives, lumineuses et constituées seulement de quelques éléments légers (hydrogène, hélium). Elles auraient été formées à peine 400 millions d’années après le Big Bang mais on ignore encore comment. Leur durée de vie est courte, quelques millions d’années seulement. Elles sont supposées être en partie à l’origine des autres éléments formés au cours du temps et détectés aujourd’hui dans l’Univers proche. Les sursauts peuvent donc renseigner sur le milieu où ces étoiles sont nées. Ils contribuent ainsi à la compréhension de l’évolution stellaire dans l’Univers primordial.

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Vision d’artiste montrant l’incroyable luminosité des premières générations d’étoiles dans la galaxie CR7, située à 12,9 milliards d’années-lumière. Ces populations stellaires pourraient être en partie composées d’étoiles très massives dont certaines seraient à l’origine des sursauts gamma lointains. Crédits : ESO/M. Kornmesser

Par ailleurs, un autre aspect intéressant des sursauts gamma consiste à utiliser leur signal comme une lumière d’arrière-plan qui traverse successivement les régions situées entre le sursaut et la Terre. Ces milieux étant franchis à des distances donc à des époques différentes, les empreintes laissées sur la lumière du sursaut pourraient alors donner des indications sur la teneur en éléments de l’Univers au cours de son histoire.

Les sursauts gamma, un laboratoire de physique des conditions extrêmes

La débauche d’énergie du sursaut, la vitesse des particules éjectées et les successifs chocs avec le milieu environnant sont autant d’éléments qui permettent de classer les sursauts gamma parmi les laboratoires de physique des conditions extrêmes, dans bien des cas impossibles à reproduire sur Terre.
L’énergie des particules accélérées est des ordres de grandeur (jusqu’à un million) au-delà de ce que les plus puissantes machines terrestres comme le Large Hadron Collider (LHC) peuvent aujourd’hui produire. De ce fait, l’étude des processus physiques dans ces condition extrêmes permet de mieux comprendre les conditions régnant dans d’autres classes d’objets.
A titre d’exemple, citons la nature et l’énergie des particules propulsées dans des jets à des vitesses relativistes, phénomènes aussi évoqués pour expliquer l’origine des épisodes éruptifs observés dans les blazars, des galaxies actives abritant un trou noir supermassif de plusieurs millions de masse solaire.

Autre portée majeure des processus physiques en jeu, les sursauts gamma figurent parmi les sources prometteuses de neutrino et de rayonnement cosmique de très haute énergie.
Les étoiles extrêmement massives (centaines de masses solaires) sont selon plusieurs scénarios à l’origine d’une classe particulière de sursauts, les sursauts longs très lointains. L’étude du sursaut, conséquence de l’explosion de l’étoile, est un outil de choix pour mieux cerner la première génération d’étoiles (étoiles dites de population III) et la formation stellaire dans les premières phases de l’univers. Un autre aspect singulier des sursauts gamma, les sursauts courts, repose sur la possibilité qu’ils soient des sources d’ondes gravitationnelles. La coalescence de deux astres compacts (étoile à neutron et/ou trou noir) est un scénario probable pour expliquer cette émission. Néanmoins, les phases de la fusion ou le résidu de la coalescence sont encore mal compris. Une détection commune sursaut gamma – ondes gravitationnelles permettrait des avancées significatives.

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Auteur : CEA / Irfu