Les événements les plus puissants de l’univers connu – les sursauts gamma (GRB) – sont des explosions de courte durée de lumière de la plus haute énergie. Ils peuvent éclater avec un quintillion (un 10 suivi de 18 zéros) fois la luminosité de notre soleil. Pensés désormais annoncer la naissance de nouveaux trous noirs, ils ont été découverts par hasard.
L’histoire nous emmène en 1963, lorsque l’US Air Force a lancé les satellites Vela pour détecter les rayons gamma provenant des essais d’armes nucléaires interdits. Les États-Unis venaient de signer un traité avec le Royaume-Uni et l'Union soviétique interdisant les essais dans l'atmosphère terrestre, et les satellites Vela garantissaient le respect de toutes les parties. Au lieu de cela, les satellites sont tombés sur 16 événements de rayons gamma.
En 1973, les scientifiques pouvaient exclure que la Terre et le Soleil soient à l’origine de ces brillantes éruptions. C'est à ce moment-là que les astronomes du Laboratoire national de Los Alamos ont publié le premier article annonçant que ces sursauts provenaient de l'extérieur de notre système solaire.
Les scientifiques du Goddard Space Flight Center de la NASA ont rapidement confirmé les résultats grâce à un détecteur à rayons X installé sur le satellite IMP 6. Il faudrait encore deux décennies et les contributions du BeppoSax de l'Agence spatiale italienne et de l'Observatoire Compton Gamma-Ray de la NASA pour montrer que ces explosions se produisent bien au-delà de notre galaxie, la Voie lactée, sont uniformément réparties dans le ciel et sont extraordinairement puissantes. Le GRB le plus proche jamais enregistré s'est produit à plus de 100 millions d'années-lumière.
Bien que découverts par hasard, les GRB se sont révélés inestimables pour les chercheurs d'aujourd'hui. Ces éclairs de lumière sont riches en informations sur des phénomènes comme la fin de vie d'étoiles très massives ou la formation de trous noirs dans des galaxies lointaines.
Il reste néanmoins de nombreuses merveilles scientifiques à découvrir. En 2017, les GRB ont été associés pour la première fois à des ondes gravitationnelles (des ondulations dans le tissu de l'espace-temps) nous orientant vers une meilleure compréhension du fonctionnement de ces événements.
Les astronomes séparent les GRB en deux classes principales :les événements courts (où l'éclat initial de rayons gamma dure moins de deux secondes) et les événements longs (d'une durée de deux secondes ou plus).
Des sursauts plus courts produisent également globalement moins de rayons gamma, ce qui amène les chercheurs à émettre l'hypothèse que les deux classes proviennent de systèmes progéniteurs différents.
Les astronomes associent désormais les sursauts courts à la collision de deux étoiles à neutrons ou d'une étoile à neutrons et d'un trou noir, entraînant un trou noir et une explosion de courte durée. Les GRB courts sont parfois suivis de kilonovae, lumière produite par la désintégration radioactive d'éléments chimiques. Cette désintégration génère des éléments encore plus lourds, comme l'or, l'argent et le platine.
Les longues sursauts sont liés à la mort explosive d’étoiles massives. Lorsqu’une étoile de masse élevée manque de combustible nucléaire, son noyau s’effondre puis rebondit, provoquant une onde de choc vers l’extérieur à travers l’étoile. Les astronomes voient cette explosion comme une supernova. Le noyau peut former soit une étoile à neutrons, soit un trou noir.
Dans les deux classes, le nouveau trou noir émet des jets dans des directions opposées. Les jets, constitués de particules accélérées à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, transpercent et finissent par interagir avec la matière environnante, émettant des rayons gamma lorsqu'ils le font.
Ces grandes lignes ne sont cependant pas le dernier mot. Plus les astronomes étudient les GRB, plus ils risquent de rencontrer des événements qui remettront en question les classifications actuelles.
En août 2020, le télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA a repéré une seconde rafale nommée GRB 200826A, à plus de 6 milliards d'années-lumière. Il aurait dû appartenir à la classe des rafales courtes, déclenchées par des fusions d'objets compacts.
Cependant, d’autres caractéristiques de cet événement, comme la supernova qu’il a créée, suggèrent qu’il proviendrait de l’effondrement d’une étoile massive. Les astronomes pensent que cette sursaute s'est peut-être arrêtée avant d'atteindre la durée typique des longues sursauts.
Fermi et l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA ont capturé son homologue, GRB 211211A, en décembre 2021. Situé à un milliard d'années-lumière, l'éclatement a duré environ une minute. Bien que cela en fasse un GRB long, il a été suivi d'un kilonova, ce qui suggère qu'il a été déclenché par une fusion. Certains chercheurs attribuent les bizarreries de cette explosion à une étoile à neutrons fusionnant avec un trou noir partenaire.
Alors que les astronomes découvrent davantage de sursauts durant plusieurs heures, une nouvelle classe pourrait encore être en préparation :les GRB ultra-longs. L'énergie créée par la mort d'une étoile de masse élevée ne peut probablement pas supporter une explosion aussi longtemps, les scientifiques doivent donc se tourner vers des origines différentes.
Certains pensent que des sursauts ultra-longs se produisent à partir de magnétars nouveau-nés, des étoiles à neutrons avec des taux de rotation rapides et des champs magnétiques mille fois plus puissants que la moyenne. D'autres disent que cette nouvelle classe fait appel à la puissance des plus grandes résidentes stellaires de l'univers, les supergéantes bleues. Les chercheurs continuent d'explorer les GRB ultra-longs.
Bien que les rayons gamma soient la forme de lumière la plus énergétique, ils ne sont certainement pas les plus faciles à repérer. Nos yeux ne voient qu’une étroite bande du spectre électromagnétique. L’étude de toute lumière en dehors de cette plage, comme les rayons gamma, dépend étroitement des instruments développés par nos scientifiques et ingénieurs. Ce besoin de technologie, ainsi que la nature déjà éphémère des GRB, ont rendu les sursauts plus difficiles à étudier au cours des premières années.
Les rémanences GRB se produisent lorsque le matériau contenu dans les jets interagit avec le gaz environnant.
Les rémanences émettent des rayons radio, infrarouges, optiques, UV, X ainsi que des rayons gamma, qui fournissent plus de données sur l'éclat d'origine. Les rémanences persistent également pendant des heures, voire des jours (voire des années) de plus que leur explosion initiale, créant ainsi davantage d'opportunités de découverte.
L’étude des rémanences est devenue essentielle pour déduire les forces motrices derrière les différentes explosions. Par de longues rafales, à mesure que la rémanence s'estompe, les scientifiques finissent par voir la source s'éclaircir à nouveau à mesure que la supernova sous-jacente devient détectable.
Bien que la lumière soit le voyageur le plus rapide de l’univers, elle ne peut pas nous atteindre instantanément. Au moment où nous détectons une explosion, des millions, voire des milliards d'années peuvent s'être écoulés, ce qui nous permettra de sonder une partie de l'univers primitif à travers des rémanences lointaines.
Malgré les nombreuses recherches menées jusqu’à présent, notre compréhension des GRB est loin d’être complète. Chaque nouvelle découverte ajoute de nouvelles facettes aux modèles de sursaut gamma des scientifiques.
Fermi et Swift ont découvert l'un de ces événements révolutionnaires en 2022 avec GRB 221009A, une explosion si brillante qu'elle a temporairement aveuglé la plupart des instruments à rayons gamma spatiaux. Un GRB de cette ampleur devrait se produire une fois tous les 10 000 ans, ce qui en fait probablement l’événement de luminosité la plus élevée jamais observé par la civilisation humaine. Les astronomes l'ont donc surnommé le plus brillant de tous les temps, ou le BATEAU.
Il s’agit de l’une des plus longues sursautes les plus proches jamais observées au moment de sa découverte, offrant aux scientifiques un examen plus approfondi du fonctionnement interne non seulement des GRB, mais également de la structure de la Voie lactée. En scrutant le BOAT, ils ont découvert des ondes radio manquantes dans d'autres modèles et ont tracé les réflexions des rayons X pour cartographier les nuages de poussière cachés de notre galaxie.
Les GRB nous connectent également à l’un des messagers les plus recherchés de l’univers. Les ondes gravitationnelles sont des distorsions invisibles de l’espace-temps, nées d’événements cataclysmiques comme les collisions d’étoiles à neutrons. Considérez l'espace-temps comme la couverture englobante de l'univers, avec des ondes gravitationnelles comme des ondulations flottant à travers la matière.
En 2017, Fermi a repéré le flash gamma d’une fusion d’étoiles à neutrons seulement 1,7 seconde après la détection d’ondes gravitationnelles provenant de la même source. Après avoir parcouru 130 millions d'années-lumière, les ondes gravitationnelles ont atteint la Terre juste avant les rayons gamma, prouvant que les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière.
Les scientifiques n’avaient jamais détecté le voyage conjoint de la lumière et des ondes gravitationnelles jusqu’à la Terre. Ces messagers combinés brossent un tableau plus vivant de la fusion d'étoiles à neutrons.
Grâce à des recherches continues, nos connaissances en constante évolution sur les GRB pourraient dévoiler la structure invisible de notre univers. Mais l’éclatement réel n’est que la pointe de l’iceberg. Une quantité infinie d'informations se profile juste sous la surface, prête à être récoltée.
Fourni par la NASA
