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Outils de mesure

En 1997, un phénomène de rémanence associé à un sursaut gamma fut découvert par le satellite italien BeppoSAX. La rémanence correspond au prolongement de l’émission dans les domaines X, visible et radio, juste après le flash en 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 et 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 à la sortie d’un télescope permet de décomposer la lumière de la source qu’il observe pour établir son spectre. Celui-ci est une véritable carte d’identité de l’objet étudié, son code barre en quelque sorte.

Raies spectrales

A gauche, le spectre d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz très dense est continu. Au milieu, le spectre d’un gaz froid placé devant une source continue fait apparaître des raies obscures ce sont les raies d’absorption. A droite, le spectre d’un gaz chaud est formé de raies brillantes appelées raies d’émissions. Crédits : The Pennsylvania State University

Il est en effet caractérisé par la présence de raies spectrales, positionnées à des longueurs d’onde caractéristique des éléments chimiques de la source. En analysant le spectre d’un milieu, il est donc possible de déterminer la composition chimique de l’objet observé. Ces raies spectrales peuvent être de deux natures. Quand elles proviennent d’un gaz ionisé, comme le gaz du milieu interstellaire chauffé par le rayonnement des étoiles, elles sont observées en émission. Par exemple, on observe couramment les raies de l’hydrogène et de l’oxygène ionisés dans le spectre des galaxies où se déroule une importante formation stellaire. A l’inverse, si la lumière de la source observée traverse des nuages de gaz neutre, les éléments présents peuvent absorber une partie des photons, et des raies se creusent dans le spectre : les raies sont alors observées en absorption. Dans le cas des sursauts gamma, l’analyse spectrale de l’émission rémanente révèle de façon quasi systématique une multitude de raies en absorption, provenant de tous les milieux absorbants traversés par la lumière du sursaut. Parmi ces absorbants, on trouve tout d’abord le gaz qui compose l’environnement proche du sursaut et le milieu interstellaire de la galaxie hôte. Mais on détecte également la présence d’absorbants au delà de la galaxie hôte et situés entre le sursaut et la Terre. L’analyse spectrale des émissions rémanentes apporte donc des informations cruciales non seulement sur la composition chimique des milieux dans lesquels se produisent les sursauts gamma, mais également sur les propriétés des galaxies et leur évolution à différentes époques de l’histoire cosmique.

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.

L’importance de ce décalage vers le rouge est directement reliée à la distance de la source observée. C’est la loi découverte par Edwin Hubble en 1929. Ainsi, chaque système absorbant traversé par un sursaut gamma produit dans le spectre de son émission rémanente des raies spectrales, et le décalage en longueur d’onde de ces raies nous permet de mesurer la distance du milieu à l’origine de l’absorption. En particulier, le tout premier absorbant rencontré par la lumière du sursaut est le gaz présent dans son environnement proche et possède le décalage spectral le plus important.

Redshift

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

Le décalage vers le rouge permet idéalement d’identifier la galaxie dans laquelle est apparu le sursaut. Il est mesuré grâce aux raies d’absorption de l’émission rémanente. Le redshift obtenu par les raies d’émission de la galaxie-hôte détectée après disparition de l’émission rémanente est généralement identique à celui mesuré par absorption. Cette méthode permet de confirmer qu’il s’agit bien de la galaxie-hôte. La détection n’est que le point de départ de l’astronomie. Au-delà de la simple observation d’un point lumineux, il faut pouvoir décrire de quoi sont constitués ces milieux lointains et en déduire, peut-être, les conditions d’apparition. La spectroscopie va ainsi permettre, selon l’échelle, de connaître l’atmosphère proche d’une étoile, d’une planète, de quoi est fait une galaxie, voire même la matière primordiale, celle-là même qui est apparue juste après le Big Bang.

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Auteur : CEA / Irfu