Un sursaut gamma scruté en détail

Une bouffée de rayonnement gamma, ou sursaut gamma, très intense a été observée par de nombreux télescopes. De quoi affiner les modèles théoriques de ce phénomène.

Le 27 avril 2013, le détecteur GBM (Gamma ray Burst Monitor) du satellite Fermi enregistrait une source de rayonnement gamma particulièrement intense. Tout de suite après, le télescope spatial Swift détectait le même signal et relayait l’information aux télescopes au sol (tel RAPTOR, Rapid Telescopes for Optical Response, aux États-Unis) en leur indiquant la direction de la source. Le LAT (Large Array Telescope), également embarqué sur Fermi, a aussi observé cette bouffée de rayonnement gamma, ou sursaut gamma (en anglais : gamma ray burst). Ce sursaut très brillant, nommé GRB 130427A, s'est révélé exceptionnellement proche, de sorte que les astrophysiciens ont pu étudier son spectre lumineux en détail. Les résultats permettent d’affiner la compréhension de ces phénomènes cosmiques violents.

Les sursauts gamma sont les événements les plus énergétiques observables dans l'Univers. Ils surviendraient entre autres lorsque des étoiles très massives s’effondrent sur elles-mêmes en formant un trou noir. Selon le modèle dit de la boule de feu, deux jets de matière sont alors expulsés de part et d’autre du trou noir à des vitesses proches de celle de la lumière. Ils traversent les différentes couches de matière éjectées avant la mort de l’étoile et entrent en collision à très grande vitesse avec la matière environnant l’astre défunt. Cette interaction entraîne l'émission de photons dans toute la gamme du spectre électromagnétique, des ondes radios aux rayons gamma, en passant par l’optique et les rayons X, et ce pendant des heures, des jours, des mois, voire des années après l’explosion initiale pour les photons de plus basse énergie. Pour mettre à l’épreuve ce modèle, les astrophysiciens comparent le spectre théorique à ceux enregistrés lors des différentes observations.

Le sursaut gamma du 27 avril 2013 est exceptionnel par sa proximité : sa lumière n'a mis « que » 3,75 milliards d’années pour nous parvenir, beaucoup moins que la plupart des sursauts détectés par Swift. De ce fait, le rayonnement reçu était intense et le sursaut est apparu très brillant. Les observations conjointes des différents télescopes ont d'abord permis de caractériser la nature de l’étoile qui a explosé : il s’agit d’une étoile de type Wolf-Rayet, une étoile compacte de 20 à 30 masses solaires, mais dont le rayon est seulement trois à quatre fois supérieur à celui du Soleil, tournant rapidement sur elle-même.

Les deux processus à l'origine des photons émis sont la collision des couches de matière expulsées par l'étoile (les couches internes rattrapent les couches externes, plus lentes) et la collision des jets avec la matière interstellaire.

Le spectre électromagnétique de GRB 130427A soulève de nombreuses questions. Le temps de réaction très court et la mobilisation de nombreux détecteurs a permis d'obtenir un signal détaillé. Par certains aspects, il diverge du modèle de la boule de feu. Un photon de très haute énergie (32 gigaélectronvolts) a notamment été détecté par le LAT neuf heures après le début du phénomène (le photon le plus énergétique jamais détecté dans un sursaut gamma, d'une énergie de 95 gigaélectronvolts, a par ailleurs été recueilli quelques minutes après le début de l’émission).

Le ciel vu par le détecteur LAT du satellite Fermi avant (à gauche) et pendant (à droite) le sursaut gamma.

Dans le modèle de la boule de feu, les photons les plus énergétiques sont produits par émission synchrotron : des particules chargées, accélérées dans un champ magnétique intense produit lors de la collision des couches de matière expulsées, émettent des photons. Un tel mécanisme ne peut cependant pas produire des photons aussi tardivement que celui mesuré à 32 gigaélectronvolts. Il est plus probable que ce photon provienne de l’interaction du jet avec le milieu interstellaire. Si la plupart des éléments du spectre sont bien reproduits par la théorie, ces petites différences sont des indices que des mécanismes supplémentaires sont à l’œuvre. Les théoriciens vont pouvoir remettre leur modèle à l'ouvrage !