SVOM

Outils de mesure

En 1997, un phénomène de rémanence associé à un sursaut gamma fut découvert par le satellite de l’ASI (l’Agence spatiale italienne) BeppoSAX. La rémanence correspond au prolongement de l’émission dans les domaines X, visibles et radio, juste après le bref flash gamma (l’émission prompte). Cette découverte fut capitale car elle permit de déterminer pour la toute première fois la distance d’un sursaut ainsi que les propriétés physiques de son environnement proche. Un champ de recherche nouveau s’ouvrait ainsi à la communauté scientifique.

Alors que l’émission prompte ne dure que quelques secondes, la rémanence du sursaut perdure quant à elle sur une période plus longue, heures ou jours suivant le domaine de longueurs d’onde. Ceci a une conséquence immédiate, elle peut être étudiée en détail dans le visible et infrarouge par les télescopes au sol à condition de disposer d’une position affinée de la source dans le ciel. Enjeu majeur à ce stade, les études en mode spectroscopique permettent de livrer des informations variées et diverses comme la distance, les propriétés de l’environnement du sursaut, le type de galaxie hôte, la nature des milieux traversés par la lumière durant son périple jusqu’à la Terre. La spectroscopie s’avère à ce stade un outil de mesure extrêmement puissant et indispensable pour utiliser les sursauts comme sondes de l’Univers lointain.

Les raies spectrales

Un spectromètre placé au foyer d’un télescope permet de décomposer la lumière de la source visée pour établir son spectre. Celui-ci est une véritable carte d’identité de l’objet étudié, son code barre en quelque sorte. Il est en effet caractérisé par la présence de raies spectrales, positionnés a des longueurs d’onde caractéristique des éléments chimiques de la source. En utilisant les informations d’un spectre, il est donc possible de déterminer la composition chimique de l’objet observé.

Raies spectrales

A gauche, le spectre continu d’une source de lumière. Au centre, la présence d’un nuage de gaz sur la ligne de visée fait apparaître des raies en absorption, car les éléments chimiques du nuage filtrent les photons à certaines longueurs d’onde caractéristiques du milieu absorbant. A droite, le spectre d’un gaz ionisé, caractérisé quant à lui par une raie en émission à une longueur d’onde particulière, propre de l’élément ionisé. (Crédit : The Pennsylvania State University)

Le décalage spectral, ou mesure de distance

La longueur d’onde d’une raie spectrale peut également traduire un mouvement de la source émettrice, selon l’effet Doppler. Si la source lumineuse se rapproche, sa longueur d’onde apparente devient plus courte, elle est décalée sur le spectre. Dans le domaine de la lumière visible, cela signifie qu’elle se décale vers le bleu. A l’inverse, quand la source s’éloigne, sa longueur d’onde apparente augmente. On parle de décalage vers le rouge ou redshift en anglais. Et plus la source se déplace rapidement, plus le décalage spectral est important. Cette propriété est particulièrement intéressante en astronomie, l’expansion de l’Univers conduisant de fait à un décalage vers le rouge du spectre des galaxies.

Redshift

Plus on s’éloigne de la Terre, plus le décalage vers le rouge des galaxies est important. Crédit: Space Exploratorium

L’importance de ce décalage vers le rouge est directement reliée à la distance de la source observée : plus l’objet est lointain, plus ce décalage est grand. C’est la loi communément appelée loi de Hubble (car découverte par Edwin Hubble en 1929) mais recommandée depuis octobre 2018 (suite à une résolution prise par l’Union Astronomique Internationale) pour être nommée loi de Hubble-Lemaître). Ainsi, chaque système absorbant traversé par un sursaut gamma produit dans le spectre de son émission rémanente des raies d’absorption. Le décalage en longueur d’onde de ces raies nous permet de mesurer alors la distance à la Terre du milieu à l’origine de l’absorption. En particulier, le tout premier absorbant rencontrée par la lumière du sursaut est le gaz présent dans son environnement proche au sein de sa galaxie et possède le décalage spectral le plus important car le plus lointain. Ceci est dans certains cas vérifié par l’observation de raies en émission de la galaxie hôte qui présentent le même décalage spectral.

Spectre

La spectroscopie permet de mettre en lumière le contenu chimique de la galaxie hôte du sursaut comme celui du milieu intergalactique situé sur la ligne de visée. Les figures ci-dessus montrent les spectres optiques de l’émission rémanente (à gauche) et de la galaxie-hôte (à droite) du sursaut GRB970805. Sur le spectre de gauche, obtenu trois jours après le sursaut, un système de raies en absorption est attribué par leur respectives positions (z=0.835) à des éléments chimiques (Fer et Magnésium) situés dans la galaxie hôte et cochés comme tel par un astérisque. Le spectre de droite de la galaxie hôte, obtenu une fois l’éclat du sursaut atténué (semaines ou mois après le flash initial) permet grâce à la position des raies en émission (ici oxygène et néon) de déterminer une distance (z=0.8349) remarquablement en accord avec la mesure précédente. (Crédits : Metzger et al. 1997, Nature et Bloom et al. 1998, ApJ)

Au-delà, de multiples diagnostics

La distance, mesurée par le décalage spectral des raies d’absorption, n’est pas la seule quantité physique obtenue à partir du spectre de l’émission rémanente des sursauts gamma. Ces raies nous apportent en effet une multitude d’informations sur la composition chimique des milieux absorbants traversés, et sur les propriétés physiques des galaxies dans lesquelles se produisent les sursauts. Par exemple, les abondances relatives des différents éléments chimiques observés dans les spectres, notamment celles des “métaux” comme le Fer, le Silicium ou le Zinc, nous renseignent sur l’état de l’enrichissement en éléments lourds dans le milieu interstellaire des galaxies. En fonction de leurs distances, les sursauts apportent donc des contraintes très fortes sur l’évolution de la métallicité au cours de l’histoire cosmique. Par ailleurs, le spectre des sursauts les plus lointains permet de comprendre comment l’hydrogène neutre dont était composé le milieu intergalactique après le Big Bang s’est progressivement ré-ionisé au cours du premier milliard d’années de l’Univers. La nature des sources à l’origine de cette ré-ionisation reste encore fortement débattue par les scientifiques aujourd’hui.

Infos

Publié le
Auteur : CEA / Irfu