Un sursaut gamma, c’est quoi ?

Les sursauts gamma sont les traces laissées par un cataclysme galactique : l’explosion d’une étoile supermassive. Ils voyagent dans l’Univers pendant des milliards d’années et peuvent apporter des renseignements cruciaux aux astrophysiciens. Pourtant, « 40 ans après leur découverte,  le mystère est loin d’être résolu ». Explications

L’année prochaine, la mission SVOM (Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor) devrait décoller de la base chinoise Xichang à bord d’une fusée Longue Marche 2C. Elle est consacrée à l’étude des plus lointaines explosions d’étoiles, les sursauts gamma.

SVOM, une mission franco-chinoise

La mission comporte quatre instruments : GRM et VT qui sont chinois, ainsi qu’ECLAIRs et MXT qui sont français. Ces deux derniers sont terminés et se trouvent pour le moment dans des salles blanches du CNES à Toulouse. Nous avons pu les voir avant leur départ et discuter avec les ingénieurs et scientifiques en charge de leur conception.

Avant de vous expliquer en détail le fonctionnement d’ECLAIRs et MXT, on commence par une petite mise en bouche sur ce que sont les sursauts gamma, l’histoire de leur découverte et l’importance qu’ils ont dans la compréhension de notre Univers. Voici notre compte rendu des présentations de Jean-Marc Bonnet Bidaud, astrophysicien au CEA, et de Bertrand Cordier, responsable scientifique pour la France de la mission SVOM et également au CEA.

Une supernova à l’époque de la dynastie des Song

Jean-Marc Bonnet Bidaud était le premier à prendre la parole pour nous donner quelques rappels historiques. Le premier texte décrivant ce qu’on appelle désormais une supernova, c’est-à-dire l’explosion d’une étoile supermassive, date d’environ 1 400 ans. L’astrophysicien s’attarde pour sa part sur une période plus récente : l’année 1054, le 4 juillet plus précisément.

C’est en effet il y a un peu moins de 1 000ans  que « des témoins ont observé ce phénomène ». Ces témoins étaient des astronomes de la dynastie des Song, en Chine. Ils ont livré un « rapport extrêmement concis et complet de l’événement ». « Ils ont observé une "étoile invitée" – qui était le nom poétique pour désigner ce qu’on appelle aujourd’hui une supernova – dans un lieu très particulier du ciel, la constellation du taureau qui est près d’une étoile que l’on connait parfaitement ».

« Ce phénomène était extrêmement spectaculaire puisque l’étoile nouvellement apparue était visible pendant 23 jours. Aussi spectaculaire que soit ce phénomène, il n’a été observé et noté qu’en chine ». Il a évidemment pu être observé ailleurs sur Terre, mais sans consignation à l’époque. De manière générale, les Chinois ont mis par écrit des phénomènes du genre tout au long de l’histoire, mais pas l’Europe.

La raison est principalement culturelle, explique le chercheur du CEA : sur le vieux continent, « nous étions dans le modèle grec relativement erroné, qui plaçait la Terre au centre avec des sphères autour. La dernière portait les étoiles – une sphère parfaite –, se devait d’être immuable, éternelle et donc affectée par aucun changement ». Ce n’était pas la vision de l’époque de la Chine.

L’Europe se réveille dans les années 1700, puis en 1968

En Europe, la redécouverte du « ciel transitoire » (le site officiel de la mission SVOM explique en détail de quoi il s’agit) a été beaucoup plus tardive : « On doit par coïncidence à un astronome français, Charles Messier, d’être le premier à redécouvrir le résidu de l’explosion de 1054, qu’il a vu comme une petite tache floue (il avait alors une lunette astronomique de 10 cm à l‘époque). Il l’a enregistré comme le premier élément Messier 1 de son grand catalogue ».

L’Observatoire de Paris ajoute que cette explosion a aussi été découverte en 1731 par l'amateur anglais John Bevis, qui l'ajouta à son atlas d'étoiles Uranographia Britannica. L’institut précise que Messier n’a pas « volé » la découverte de Bevis ; les deux étaient indépendantes. Néanmoins, « Messier a reconnu la priorité de la découverte par Bevis lorsqu'il l'apprit par une lettre de 10 juin 1771 ». Les moyens de communication et de partage des connaissances n’étaient pas les mêmes à l’époque.

Ce n’était que le début de la découverte de ce pan de l’astrophysique : « c’est seulement en 1968 que nous avons compris tout le phénomène de l’explosion des étoiles », ajoute Jean-Marc Bonnet Bidaud. « On l’a compris par la détection au centre de cette nébuleuse – à l’emplacement d’une petite étoile totalement anodine en lumière visible – d’une source d’onde radio très puissante qui était de plus périodique. On l’a appelée pulsars et elle était associée à un objet compact qui reste de l’explosion : le cœur de l’étoile qui s’était effondré ».

« Tout aussi importante, mais peut-être moins connue : la découverte, deux ans plus tard, que ce même objet émettait aussi des rayons gamma qui est la forme la plus puissante de la lumière connue ». On la doit à une équipe d’astrophysiciens du CEA, qui a publié un article dans la revue Nature en 1970.

Quel rapport entre sursauts gamma et guerre froide ?

Bertrand Cordier, responsable scientifique pour la France de la mission SVOM et astrophysicien au CEA, prend la relève, pour parler des sursauts gamma. Il explique qu’il s’agit d’« un objet très particulier du ciel transitoire, peut-être l'objet le plus emblématique ». Il nous propose lui aussi de retracer « l'histoire de la découverte de ces sources. C'est une enquête surprenante qui en fait débute par un épisode de la guerre froide ».

« En 1963, les États-Unis, le Royaume-Uni et l'URSS signent à Moscou un traité interdisant les essais nucléaires dans l'atmosphère et dans l'espace. On s'était rendu compte que l'espace a la capacité d'arrêter le rayonnement gamma. Donc on pouvait finalement avoir l’idée d’effectuer des essais nucléaires dans l'espace de manière à ne pas être vu depuis le sol.

Confiance oblige, six jours après ce traité, l'armée américaine lance les premiers éléments d'une batterie de satellite-espion : les sondes Vela. Leur but était justement de vérifier si le traité était respecté et si les Soviétiques n’effectuaient pas des essais dans l'espace. En 1963, ces satellites sont lancés et ils scrutent le ciel dans le rayonnement gamma.

Le 2 juillet 1967, ils détectent une bouffée de rayonnement gamma, sur des temps très courts, mais avec une forte intensité. Cette information était alors confidentielle. Elle sera déclassifiée et le secret sera levé en 1973 avec une publication scientifique. Je dirais que le dossier entre alors dans la communauté scientifique et, depuis cette date de 1973, les scientifiques vont essayer de mieux comprendre ces bouffées, car il se trouve qu'on n’en a pas observé qu'une : on en voit régulièrement. Donc la question était de comprendre d'où elles venaient et quel était le régime de ces bouffées gamma. »

Des événements cataclysmiques et fréquents

Dans les années 1990 et 2000, les Américains vont lancer une mission dédiée à la détection de ces sursauts gamma. Le résultat le plus saillant est qu’ils vont en trouver… en grande quantité : « 2 407 sur l'ensemble de la mission ». De plus, ces sursauts apparaissent partout dans le ciel ; il n’y a pas de direction privilégiée.

On peut donc déjà en déduire qu’ils « n'ont pas l'air d'être dans notre galaxie ». Pour les scientifiques, les résultats étaient « inquiétants » car, si on tient compte de la distance, on comprend « que ce sont des événements très très énergétiques ». D’autant que la fréquence d’apparition est environ d’un par jour.

Une révolution survient en 1995. « On détecte des sursauts dans le rayonnement gamma, mais on ne peut alors pas utiliser des optiques traditionnelles ». Pour faire simple, un rayon gamma traverse une optique comme s’il n’y avait rien. En conséquence, « quand on les détecte dans la voute céleste on a de très grosses boites d’erreur », on ne peut donc pas les localiser avec précision. Coup de chance à ce moment-là, « un satellite italien qui observe, lui, en X dans la boite d'erreur qui a été donnée par les Américains, voit une source en train de décroître ». Cette complémentarité des mesures sera la base du fonctionnement de SVOM, comme nous allons le voir.

Contrairement aux rayons gamma, le fait de travailler sur des rayons X permet d’« avoir des optiques plus performantes, et on arrive ainsi à mieux localiser » la source de l’événement. C’est le début d’une chaine : « L’information est relayée à un télescope au sol. Il va se braquer sur la position indiquée et voit lui aussi une source très faible qui est en train de décroître ». Ce télescope au sol a pu mesurer « un spectre » et donc estimer la distance de l’explosion. « On s'est rendu compte qu’elle était très lointaine, au-delà de notre galaxie : la lumière qui a imprégné ces images avait voyagé pendant 11,7 milliards d’années ». 

Pour donner une idée du niveau d’énergie de la source, Bertrand Cordier explique que « si on corrige de la distance, on rayonne à 10⁴⁴ joules. À titre de comparaison, c‘est plus d’énergie que tout le Soleil dans toute son existence ». Des questions se posent évidemment autour de ce cataclysme. 

Cache-cache galactique et masques codés

On se retrouve donc dans une drôle de situation : « À la fin du 20e siècle, on avait ce phénomène imprévisible dans le temps et dans l'espace, des émissions intenses, mais furtives en gamma, suivis d’émissions rémanentes plus faibles en X et en visible. En visible elles sont très très faibles, les chercher sans savoir où elles se trouvent c'est quasi impossible ; c'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin ».

Afin de mieux comprendre ces « objets », il faudrait pouvoir les localiser. Problème : on arrive à bien les détecter en gamma, mais sans les localiser avec précision. En X et en visible c’est le contraire : on arrive à bien les localiser, mais pas franchement à les détecter. Vous vous en doutez, une solution a été trouvée avec « l'imagerie à masque codé ; c'est ce qui va permettre en gamma d'arriver à mieux localiser ses sources ».

Cette technologie n’est pas nouvelle. « Elle a été éprouvée ici [dans les locaux du CNES à Toulouse, ndlr] par les laboratoires qui sont dans SVOM ». Le CNES, le CEA et l’IRAP ont en effet mené à la fin des années 80 et 90 « une coopération avec l’Union soviétique où, pour la première fois, on a embarqué un masque codé sur un télescope gamma et on a pu faire de la localisation ».

Les Américains ont ensuite repris cette technologie avec la mission Swift (ou Neil Gehrels Swift Observatory) « qui depuis 2004, grâce à un masque codé ainsi qu’un concept multi-instruments et longueur d’onde, observe des sursauts gamma et a permis des avancées décisives dans la compréhension de ces événements ».

Crédits : SVOM

Des événements qui ont plus de 12 milliards d’années

Bertrand Cordier cite quelques résultats de cette mission. En 2005, les Américains détectent un sursaut et arrivent à donner une position beaucoup plus fine « pour que des télescopes au sol puissent essayer dans les boites d’erreur d’aller regarder si on voit des sources ». Cette source est ensuite repérée par le télescope français TAROT (Télescope à action rapide pour les objets transitoires), ce qui a déclenché la décision de pointer un très gros télescope dans cette direction, le Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire européen austral (ESO).

Les scientifiques se sont alors rendu compte que cet événement s’est produit quand l'univers n'avait que 886 millions d'années. « Les photons qui ont imprégné l'image du télescope TOROT (de 25 cm pour rappel) ont donc voyagé pendant plus de 12 milliards d'années pour nous arriver ».

En 2009, les Américains établissent un record dans la catégorie sursauts gamma. Le principe est le même : « on détecte en direct l’espace avec un télescope gamma, on affine avec un télescope X équipé d’optiques, on passe l’information au sol qui prend le relai avec de très gros télescopes […] Et là vous avez un des objets les plus lointains jamais observés, alors que l'univers était âgé de 625 millions d'années seulement ».

Ok, mais ça sert à quoi tout ce charabia ?

Des questions vous viennent certainement à l’esprit, par exemple sur l'utilité et la signification. Bertrand Cordier apporte des éléments de réponses : « Ça veut dire qu'on est en train de voir, avec les sources gamma, peut-être la toute première génération d'étoiles. C'est le seul moyen, sinon ces objets sont trop faibles. Ce qu'on comprend aujourd'hui, c’est vraisemblablement que ces sursauts gamma signent la mort de ces premières étoiles ».

« Ce sont des étoiles très massives qui sont en train de s'effondrer sur elle-même. Par un processus complexe, elles vont générer un sursaut gamma et une énergie considérable ». La science qui s'intéresse à ces sursauts doit essayer de comprendre comment on peut produire autant d’énergie.

Une autre approche est d‘utiliser « ces événements comme des sondes. Quand elles explosent, elles vont illuminer tous les plans entre nous et le sursaut gamma. C'est du coup une information considérable pour avoir les paramètres physiques de l'univers quand il était très jeune. C'est le seul moyen quasiment d'avoir l'information sur l'univers à ces moments-là et de voir peut-être ces premières générations étoiles ».

« Le mystère des sursauts gamma est loin d’être résolu »

« 40 ans après leur découverte, le mystère des sursauts gamma est loin d’être résolu. On comprend un peu mieux ces sources transitoires, on comprend le potentiel énorme pour la science qu’on peut faire avec, mais on a besoin de télescopes de nouvelle génération. C’est nécessaire pour mieux les étudier, les localiser et donc être performant », prêche le chercheur.

Pour repérer ces sursauts, « il faut être sur place et vraiment très bien entraîné avec nos télescopes sinon l'événement passe et on ne l'a pas vu ». C’est tout l’objectif de la mission SVOM : détecter avec une bonne précision des sursauts gamma, confirmer rapidement avec des télescopes dédiés et robotisés au sol, et ensuite envoyer les données à la communauté. Nous détaillerons tout cela dans la suite de notre dossier.