À 22 h 49, heure de l'ouest de l'Australie, le 2 février de cette année, les rayons gamma cosmiques frappent le satellite de la NASA, Rapide, en orbite autour de la Terre.

Quelques secondes après la détection, une alerte a été automatiquement envoyée au télescope Zadko de l'Université de Washington. Il est passé à l'action robotique, prendre des images de l'emplacement du ciel dans la constellation d'Ophiuchus.

Ce qui a émergé de la noirceur, où rien n'a été vu avant, était un "transitoire optique" à éclaircissement rapide, qui est quelque chose de visible dans le ciel pendant une brève période de temps.

L'événement, nommé GRB170202, était un sursaut de rayons gamma (GRB) très énergétique. Après moins d'une minute, les rayons gamma éteints, et le GRB est apparu comme une balise optique s'éclaircissant puis s'estompant.

Le télescope Zadko a enregistré toute l'évolution de l'explosion optique. Lors de sa plus grande explosion, GRB170202 était équivalent en luminosité à des millions d'étoiles brillant ensemble depuis le même endroit.

Environ 9h42 après le GRB, le Very Large Telescope au Chili a acquis le spectre de la lumière de la rémanence optique.

Cela a permis de mesurer une distance au sursaut :environ 12 milliards d'années-lumière. L'univers s'est étendu à quatre fois la taille qu'il était alors, Il y a 12 milliards d'années, le temps qu'il a fallu à la lumière pour atteindre la Terre.

GRB170202 était si loin, même sa galaxie hôte n'était pas visible, juste l'obscurité. Parce que le GRB était transitoire, à ne plus jamais revoir, c'est comme allumer une lumière dans une pièce sombre (la galaxie hôte) et essayer d'enregistrer les détails de la pièce avant que la lumière ne s'éteigne.

Le mystère du sursaut gamma

L'éclair de rayonnement gamma et le transitoire optique qui s'ensuit sont la signature révélatrice d'un trou noir né de l'effondrement cataclysmique d'une étoile.

De tels événements sont rares et nécessitent des circonstances particulières, y compris une étoile très massive jusqu'à des dizaines de masses solaires (la masse de notre soleil) tournant rapidement avec un fort champ magnétique.

Ces ingrédients sont essentiels pour lancer deux jets qui traversent l'étoile en train de s'effondrer pour produire le sursaut de rayons gamma (voir animation)

L'analogue le plus proche (et le transitoire le mieux compris) d'un GRB est une explosion de supernova provenant d'une étoile en train de s'effondrer. En réalité, certains GRB relativement proches révèlent des preuves d'une supernova énergétique liée à l'événement.

Les simulations montrent que la plupart des étoiles qui s'effondrent n'ont pas assez d'énergie pour produire un jet GRB, un scénario dit d'« échec de lancement ». L'observation et la théorie montrent que les GRB sont extrêmement rares par rapport à l'occurrence des supernovae.

Les étoiles qui produisent les GRB naissent et meurent en quelques dizaines à centaines de milliers d'années, contrairement à notre soleil qui existe depuis des milliards d'années.

C'est parce que les étoiles très massives épuisent leur carburant très rapidement, et subissent un violent effondrement gravitationnel conduisant à un trou noir, sur l'échelle de temps des secondes.

Une pléthore de trous noirs voyous

Les taux de formation de trous noirs dans tout l'univers peuvent être déduits du taux de GRB. Sur la base du taux de GRB observé, il doit y avoir des milliers de naissances de trous noirs qui se produisent chaque jour dans tout l'univers.

Quel est donc le sort de ces monstres cosmiques ? La plupart se cacheront dans leurs galaxies hôtes, dévorant parfois des étoiles et des planètes.

D'autres seront dans une danse de la mort gravitationnelle avec d'autres trous noirs jusqu'à ce qu'ils fusionnent en un seul trou noir avec une explosion d'ondes gravitationnelles (GW), comme la première découverte d'un tel événement par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Une nouvelle ère

À la frontière de la compréhension de la formation des trous noirs se trouve la recherche d'un type spécial de GRB qui marque la fusion (collision) de deux étoiles à neutrons.

Les "GRB courts" sont des éclairs de rayonnement gamma qui durent moins d'une seconde et pourraient être le "pistolet fumant" pour les fusions d'étoiles à neutrons.

Surtout, la fusion des étoiles à neutrons devrait être détectée à partir de leur rayonnement gravitationnel par LIGO. D'où, une détection coïncidente en rayons gamma, les ondes optiques et gravitationnelles est une réelle possibilité.

Ce serait une découverte monumentale permettant un aperçu sans précédent de la physique de la formation des trous noirs. La révolution, c'est comme écouter la radio sur un récepteur des années 1920, puis regarder un film moderne en son surround haute définition.

Défis futurs

Compte tenu du taux ci-dessus de milliers de trous noirs créés par jour, il semble que la détection coïncidente des GRB et des ondes gravitationnelles soit une évidence.

Mais en réalité il faut tenir compte de la sensibilité limitée de tous les télescopes (et détecteurs). Cela réduit le taux d'observation potentiel à quelques dizaines par an. Ceci est suffisamment élevé pour inspirer une course mondiale à la recherche des premières sources d'ondes gravitationnelles coïncidentes avec leurs homologues électromagnétiques.

La tâche est extrêmement difficile car les observatoires d'ondes gravitationnelles ne peuvent pas très bien localiser la source. Pour contrer cela, une stratégie de recherche d'ondes gravitationnelles et de détections électromagnétiques coïncidentes dans le temps peut être le meilleur pari.

La mission OzGrav du centre d'excellence ARC récemment financée est de comprendre la physique extrême des trous noirs.

L'un des objectifs est de rechercher des optiques, homologues radio et haute énergie coïncidant avec les ondes gravitationnelles de la création de trous noirs. L'Australie est sur le point de jouer un rôle important dans cette nouvelle ère d'« astronomie multi-messagers ».

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.