SVOM

Le ciel transitoire

Ciel statique et ciel transitoire

L’Univers héberge plusieurs centaines de milliards d’objets célestes. Nombre d’entre eux appartiennent au domaine du ciel « statique », c’est-à-dire qui ne changent pas, en tout cas sur de très longues échelles de temps. C’est ainsi que la galaxie la plus proche de nous, Andromède, découverte vers 964 par l’astronome persan Abd al-Rahman al-Sufi, n’a pas changé d’aspect pendant plus de mille ans. Cependant, il existe des objets célestes qui varient. Au XVIème siècle, l’astronome danois Tycho Brahe décrit dans son livre intitulé De nova stella la supernova survenue en 1572. Le terme « nova » signifie « nouveau », autrement dit, il s’agit de « nouvelles étoiles » qui apparaissent dans le ciel avant de disparaître. Ces objets appartiennent au domaine du ciel variable et transitoire, aujourd’hui en plein expansion.

Les objets du ciel variable et transitoire

Les objets qui changent au cours du temps peuvent être soit « variables », soit « transitoires ». Les premiers sont connus pour avoir des caractéristiques qui varient au cours du temps, telles que la luminosité, la couleur ou la position, tandis que les seconds apparaissent à un instant précis puis disparaissent sans jamais ne réapparaître. Il existe une grande variété d’objets variables comme les étoiles pulsantes ou éruptives, les systèmes binaires hébergeant un objet compact comme une étoile à neutron ou un trou noir ou encore les noyaux actifs de galaxies. Les supernovæ et les sursauts gamma appartiennent à la catégorie des phénomènes transitoires.

La vidéo ci-dessus, illustre les variations dans le ciel entre 1996 et 2012 dans le domaine des rayons X-durs (entre 5 et 12 keV). Elle a été réalisée à partir des données collectées par l’instrument ASM de la mission spatiale RXTE (source : http://xte.mit.edu/).

L’étude ce des objets permet de mieux les comprendre et d’en apprendre sur la physique qui les entoure. Cela concerne notamment les phénomènes d’accrétion de la matière d’une étoile compagnon par un objet compact dans un système binaire, les jets de matière émis lors de sursauts gamma, le comportement d’un plasma en présence de champs magnétique et gravitationnel ou encore les collisions d’astres.

Illustration d'artiste du système SS433 situé à près de 18 000 années lumières. Il héberge une étoile massive (à gauche) dont la matière est attirée par un trou noir formant un disque d'accrétion (à droite) ainsi que des jets se propageant à ¼ de la vitesse de la lumière. Un tel système émet un fort rayonnement variable en rayon X (source : heasarc.gsfc.nasa.gov).

Illustration d’artiste du système SS433 situé à près de 18 000 années lumières. Il héberge une étoile massive (à gauche) dont la matière est attirée par un trou noir formant un disque d’accrétion (à droite) ainsi que des jets se propageant à ¼ de la vitesse de la lumière. Un tel système émet un fort rayonnement variable en rayon X (source : heasarc.gsfc.nasa.gov).

Stratégie et programme d’observation

Si le cœur de la mission SVOM est de garantir l’observation d’environ cent sursauts gamma par an, c’est aussi un formidable outil destiné à scruter et étudier le ciel transitoire et variable dans son ensemble. Pour observer ces phénomènes se produisant sur de courtes échelles de temps (parfois plus rapide qu’une seconde), d’importants dispositifs de détection et de suivi sont nécessaires.  Comme sa mission sœur SWIFT, développée par la NASA, la mission SVOM inclut dans son programme une place importante pour la science hors sursaut. Son programme d’observation sera constitué à 25% pour la recherche des sursauts gamma, tandis que 15% seront dévolus aux phénomènes transitoires (hors sursaut) les deux premières années pour atteindre 40% la troisième année.
SVOM sera en mesure de générer une alerte suite à la détection d’un phénomène transitoire par ses instruments balayant le ciel et couvrant les longueurs d’ondes allant des infra-rouges aux rayons gamma. Réciproquement, les instruments pourront réagir à des alertes générées par d’autres observatoires du ciel transitoire, au sol ou dans l’espace. SVOM sera ainsi un partenaire de choix pour d’autres programmes d’observation, comme par exemple IceCube et son télescope à neutrinos, LIGO et Virgo pour la détection des ondes gravitationnelles, le LSST et SKA dans le domaine visible et radio.

Astronomie multi-messagers

La mission SVOM est sensible uniquement aux ondes électromagnétiques (la lumière) mais pourrait contribuer à l’étude d’autres « messagers » porteurs d’informations comme les ondes gravitationnelles. Prédites depuis Einstein et la théorie de la relativité générale, ces oscillations de la courbure de l’espace-temps sont devenues réalité après l’annonce le 11 février 2016 de leur découverte par la collaboration LIGO/Virgo, couronnant des années de recherche et de développements technologiques. Le signal détecté le 14 septembre 2015 par les deux interféromètres du projet LIGO est interprété comme la signature des tout derniers instants de la fusion de deux trous noirs de  trente masses solaires chacun. Cette découverte fondamentale valide le scénario de coalescence de deux objets compacts (étoile à neutron et/ou trou noir) comme une source d’émission d’ondes gravitationnelles. Les sursauts dits courts étant expliqués par ce modèle, ils sont donc une cible privilégiée.

Un autre exemple de messagers auquel SVOM pourrait apporter sa contribution est l’astronomie des neutrinos. En effet, lors de l’effondrement d’une étoile massive en supernovæ, les protons et les électrons du cœur se combinent pour former des neutrons et des neutrinos. Les neutrinos interagissant très peu avec leur environnement, s’échappent plus rapidement que les photons et sont détectés en premier. Les sursauts dits longs seraient liés à l’effondrement des étoiles massives et donc pourraient avoir une contrepartie en neutrinos.

L'image ci-dessus donne l'évolution du nombre de détection de neutrinos par l’expérience japonaise Kamiodande à l'occasion de la supernova de 1987. A 7h35 GMT, un pic correspond aux 11 neutrinos reçus de la supernova (source: Hirata et al. 1988)

L’image ci-dessus donne l’évolution du nombre de détection de neutrinos par l’expérience japonaise Kamiodande à l’occasion de la supernova de 1987. A 7h35 GMT, un pic correspond aux 11 neutrinos reçus de la supernova (source: Hirata et al. 1988)

Les défis du domaine temporel

L’astronomie du domaine temporel est en pleine essor et de nombreux observatoires dédiés sont aujourd’hui en développement et verront le jour à l’horizon 2020. La communauté scientifique fait face à de nombreux défis. Le principal enjeu est le traitement des signaux reçus en temps réel pour détecter au plus vite les phénomènes transitoires et lancer les alertes. Le volume conséquent de données et le nombre d’acteurs nécessitent également une organisation spécifique pour assurer la diffusion et le suivi des alertes le plus rapidement possible.

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Auteur : CEA / Irfu