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Histoire d’un mystère résolu

La découverte des sursauts gamma est récente. La toute première détection de ce phénomène fut réalisée par un des satellites militaires du projet Vela, débuté en 1963. En ces temps de guerre froide, les États-Unis et l’URSS guettaient le moindre acte de belligérance, et notamment les traces d’essais nucléaires. Malgré la signature d’un traité portant sur l’interdiction des tests atomiques dans l’atmosphère et dans l’espace (signé en août de la même année), l’armée américaine lança une mission de reconnaissance destinée à repérer de telles traces. A bord des satellites Vela se trouvaient des détecteurs de rayons gamma, X et neutrons. Le 2 juillet 1967, les capteurs s’affolent, une émission très brève est détectée. Après vérification, il apparût clairement que ce rayonnement gamma n’était pas d’origine humaine, ni même terrestre. Mais il aura fallu attendre 1973 pour que soit rendue publique cette découverte, une fois la confidentialité militaire levée. Les sursauts gamma suscitèrent très vite la curiosité de la communauté scientifique. Les questionnements étaient nombreux. De quelle source proviennent de tels flashs de lumière ? Par quel(s) mécanisme(s) ? Apparaissent-ils dans notre galaxie, la Voie lactée, ou dans des galaxies plus lointaines, ce qui impliquerait une énergie encore plus colossale ?

La carte des sursauts

A partir de 1991, la NASA put récolter des informations cruciales grâce à l’observatoire spatial COMPTON, satellite géant sur lequel se trouvait l’instrument BATSE (Burst And Transient Source Experiment). Cette mission révéla que les sursauts gamma se répartissent en deux groupes distincts : * des sursauts courts (environ 30% des sursauts détectés) dont l’énergie caractéristique est élevée (environ 1000 keV). Leur durée est inférieure à 2 secondes * des sursauts longs (70%) avec une énergie caractéristique plus basse (de l’ordre de 100 keV) et dont la durée peut atteindre quelques dizaines de minutes. L’expérience BATSE a permis la détection de plus de 2500 sursauts gamma entre 1991 et 2000 et une carte du ciel a été établie. Mais faute d’une localisation précise, quelques degrés carrés, il n’a pas été possible d’identifier les sursauts avec des sources célestes.

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Chaque point sur cette carte du ciel représentée en coordonnées galactiques est un sursaut gamma détecté par BATSE. La couleur correspond à l’énergie totale perçue. BATSE a détecté 2704 sursauts gamma entre 1991 et 2000. Dans le système de coordonnées de cette carte, le centre de la Voie lactée est situé au centre. Crédits : NASA

Cette répartition est “isotrope” : les sursauts sont présents aléatoirement sur la carte indiquant soit une origine très proche de la Terre, soit une origine plus lointaine, extragalactique. Aucune concentration de sursauts le long du plan de la Voie lactée, symbolisé sur la carte par la ligne centrale horizontale, n’apparaît. Ceci exclut très probablement des candidats appartenant à notre galaxie.

Augmenter le champ d’étude et déchiffrer le lointain

Pour cerner l’origine des sursauts gamma, il devenait indispensable de les localiser précisément afin pouvoir mesurer leur distance. En avril 1996 fut lancé le satellite italien BeppoSAX. Le 27 février 1997, les instruments à bord du satellite BeppoSAX détectèrent et localisèrent le sursaut GRB970228. La localisation précise du sursaut en rayons X, rapidement transmise au sol, permit alors de pointer en direction de la source de puissants télescopes terrestres situés à La Palma en Espagne. Un signal faible et décroissant fut détecté. C’est ainsi qu’a été mise au jour l’existence d’une émission rémanente. Ce sont des rayonnements tardifs et plus ténus dans le domaine des rayons X, de la lumière visible et des ondes radio. Cette découverte est fondamentale : alors que les rayons X et gamma ne sont observables que depuis l’espace, ces autres types de rayonnement permettent en partie un suivi depuis la Terre ! De quoi ouvrir un nouvel axe de recherche à l’étude des sursauts gamma.

Emission rémanente du sursaut GRB970228 captée dans les rayons X : le phénomène va en s’atténuant avec le temps. crédits : NASA ASI/BeppoSAX

Emission rémanente du sursaut GRB970228 captée dans les rayons X : le phénomène va en s’atténuant avec le temps. Crédits : NASA ASI/BeppoSAX

Quelques mois plus tard, le 8 mai 1997, GRB970508 un nouveau sursaut,  fut détecté et localisé en rayons X par BeppoSAX. La localisation précise du sursaut permit de pointer le télescope Keck de Hawaii dans sa direction. Grâce à sa durée et à l’émission rémanente, une analyse spectrale devenait possible, permettant de faire une estimation de distance avec la mesure du décalage vers le rouge (redshift), voir sur le même thème « outil de mesure ». Le décalage vers le rouge est une modification de la longueur d’onde d’un rayonnement dans l’espace, lorsque sa source s’éloigne par rapport à l’observateur (effet Doppler) : plus le décalage vers le rouge est élevé, plus l’objet est lointain. Pour la première fois, la distance d’un sursaut allait être calculée. Dans le cas du sursaut long GRB970508, le décalage vers le rouge calculé est de 0,835, ce qui équivaut à 6 milliards d’années-lumière ! L’hypothèse d’une origine extragalactique des sursauts était ainsi vérifiée. Il devenait clair, pour la communauté, qu’une meilleure compréhension des sursauts gamma passerait par la transmission rapide d’une localisation précise du sursaut à un réseau réactif de télescopes au sol.

Une collaboration entre le sol et l’espace

En octobre 2000 eut lieu le lancement de la mission HETE-2 (High Transient Explorer). L’une de ses particularités était d’embarquer un processeur à bord pour calculer la position du flash directement. Une fois les coordonnées établies, elles étaient envoyées sur Terre via un émetteur radio et réceptionnées grâce à un réseau de 15 antennes relais déployé à la surface du globe, sous la trace du satellite. Une stratégie qui permit notamment de découvrir la rémanence d’un sursaut court (GRB050709). Mis en orbite en 2002, le satellite européen INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory), appliqua la technique du masque codé pour la détection des sursauts gamma. Cette mission, toujours en opération, a découvert la polarisation de l’émission prompte des sursauts, renforçant le modèle de la boule de feu.

Le masque codé de l’imageur IBIS

Le masque codé de l’imageur IBIS (Imager on Board the INTEGRAL Satellite). Crédits : Integral Science Data Center, Université de Genève

 

L’un des deux télescopes robotiques TAROT (Télescope à Action Rapide pour les Objets Transitoires), précurseur dans l’observation optique automatisée. Celui-ci est installé sur le plateau de Calern dans le sud de la France, l’autre se trouve à La Silla au Chili.

L’un des deux télescopes robotiques TAROT (Télescope à Action Rapide pour les Objets Transitoires), précurseur dans l’observation optique automatisée. Celui-ci est installé sur le plateau de Calern dans le sud de la France, l’autre se trouve à La Silla au Chili.

L’ère de SWIFT

En 2004, un pas considérable fut franchi grâce au lancement du satellite de la NASA SWIFT, doté d’un télescope gamma grand champ et d’une caméra à rayons X très sensible. Autre particularité de cette mission, sa plateforme particulièrement agile permettant de s’orienter très rapidement dans la direction du sursaut dans le but d’étudier son émission rémanente. A titre d’exemple, SWIFT a détecté le 23 avril 2009 le sursaut gamma le plus éloigné à ce jour : GRB090423. Sa distance est estimée à 13 milliards d’années-lumière (redshift de 8,2) ce qui en fait l’un des objets les plus lointains jamais observés. Ce sursaut proviendrait de la mort d’une étoile massive qui aurait eu lieu 630 millions d’années après le Big Bang (pour rappel, le Big Bang a eu lieu il y a 13,7 milliards d’années). Cet évènement témoignerait des premiers âges de l’Univers.

Le système d’alerte de la mission SWIFT repose sur l’ombre portée à travers un masque codé. Les motifs du masque sont réalisés grâce à un algorithme. Crédits : NASA

Le système d’alerte de la mission SWIFT repose sur l’ombre portée à travers un masque codé. Les motifs du masque sont réalisés grâce à un algorithme. Crédits : NASA

Des réseaux de télescopes robotiques au sol furent mis en place pour suivre et étudier les alertes diffusées par le satellite SWIFT. Par exemple, le télescope TAROT a été spécifiquement conçu pour cibler le plus rapidement possible les objets transitoires. Le 4 septembre 2005, ce télescope permit d’étudier la lumière émise par le sursaut gamma GRB050904, qui a eu lieu alors que notre Univers était âgé de seulement 900 millions d’années, soit 7% de son âge actuel. Avec un miroir de seulement 25 cm de diamètre, TAROT a donc détecté un objet situé à 12,8 milliards d’années-lumière ce qui souligne le caractère très énergétique des sursauts gamma. La dernière mission en date, le satellite de la NASA Fermi envoyé en orbite en 2008, étend l’étude de l’émission prompte des sursauts à plus haute énergie. Fermi a notamment détecté GRB080916C, le sursaut gamma dont l’énergie libérée en fait l’explosion la plus violente jamais observée.

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Auteur : CEA / Irfu