Nos tutelles

Nos partenaires

annuaire

aigle

Rechercher




Accueil > Science pour tous

Sursauts gamma, les plus prodigieuses explosions de l’Univers

publié le , mis à jour le

Par Denis GIALIS - Revue Espace & Astrophysique

Découverts il y a presque cinquante ans, les sursauts gamma sont parmi les phénomènes les plus violents de l’Univers.

Figure 1 : A l’origine d’un sursaut gamma - Deux jets quasi-symétriques sortent du progéniteur central, puis atteignent des vitesses ultra-relativistes. Dessin d’artiste. Image credit : NASA. Site : www.nasa.gov.

Véritables phares dans l’Univers, beaucoup plus puissants que les supernovæ classiques, les sursauts gamma (1) sont des objets astrophysiques de premier plan que l’on observe aujourd’hui jusqu’à des distances de plusieurs milliards d’années-lumière. Si leur origine est longtemps restée mystérieuse, de nombreux modèles théoriques ont vu le jour ces vingt dernières années pour tenter d’expliquer la diversité des nombreuses observations spatiales et terrestres qui ont été faites.

D’abord observés comme de simples flashes de rayonnement gamma, les sursauts gamma sont rapidement devenus beaucoup plus complexes lorsqu’on s’aperçut qu’ils étaient systématiquement accompagnés et suivis d’une émission lumineuse - dite rémanente - couvrant presque tout le spectre électromagnétique. Que sait-on aujourd’hui des sursauts gamma ? Quels sont les modèles de formation qui sont privilégiés ? Quel rôle peuvent-ils jouer dans la cosmologie moderne ? Les sursauts gamma sont-ils réellement un danger pour les planètes abritant la vie ?

Un peu d’histoire...

L’histoire des sursauts gamma débuta en pleine guerre froide entre les États-Unis et l’Union Soviétique. Suite à la grave crise de Cuba, les deux grandes puissances, ainsi que la Grande Bretagne (mais pas la France), décidèrent, en 1963, de ratifier un traité interdisant partiellement les essais nucléaires sous-marins et atmosphériques.

Figure 2 : Les satellites VELA - Chargés de détecter d’éventuelles explosions nucléaires atmosphériques, ils découvrent les sursauts gamma. Dessin d’artiste. Image credit : HEASARC / NASA.

La méfiance étant de mise quant au respect de ce traité, les américains développèrent alors un projet nommé VELA, dont le but était de détecter tout rayonnement gamma produit dans l’atmosphère qui serait la signature d’une explosion atomique (voir la Fig. 2).

Pour réaliser cela, une constellation de satellites fut lancée et mise en orbite autour de la Terre. Bien que les rapports concernant la détection d’essais atomiques clandestins restent encore classifiés aujourd’hui, un événement se produisit le 2 juillet 1967 : un intense flash de rayonnement gamma fut détecté, non pas en provenance de l’atmosphère, mais directement depuis l’espace.

Même si l’origine non humaine ne fît rapidement aucun doute, cette observation ainsi que celles du même type qui suivirent, ne furent révélées à la communauté scientifique mondiale qu’en 1973 par R. Klebesabel et ses collaborateurs du Centre de Recherche de Los Alamos lorsqu’ils publièrent un premier article dans l’Astrophysical Journal : les sursauts gamma étaient nés, et ce premier article faisait déjà état de 16 observations similaires en durée (quelques secondes au maximum), en intensité et en longueur d’onde, entre juillet 1969 et juillet 1972. Dans cet article, les auteurs y affirmaient clairement une origine non terrestre et non solaire de ce rayonnement.

Dans les années 70, la communauté scientifique s’intéressa fortement à ces phénomènes, et de nombreux satellites furent envoyés dans l’espace pour récolter toutes sortes de données physiques sur les sursauts gamma. Parmi eux, on peut citer le satellite CGRO (Compton Gamma-Ray Observatory) avec à son bord la célèbre expérience BATSE (Burst And Transient Source Experiment) qui, entre 1991 et 2000, a permis de dresser une carte de la distribution de 2704 sursauts gamma dans le ciel, et de fournir une étude statistique sur la durée des émissions gamma et les longueurs d’onde des pics d’énergies de leurs courbes de lumière.

Durant cette même décennie, c’étaient plus d’une centaine de modèles théoriques différents qui furent imaginés par les astrophysiciens. Des satellites comme Beppo-SAX, HETE-2, Integral, Swift ou, plus récemment, Fermi, en 2008, ont par la suite révélé toute la richesse et la diversité des sursauts gamma. Aussi, l’observation directe des décalages vers le rouge (ou redshift), liés à l’expansion de l’Univers, apporta une réponse définitive au vif débat qui existait dans les années 90 entre ceux qui pensaient que les sursauts gamma avaient une origine galactique, les plus nombreux, et ceux qui pensaient que leur lumière pouvait venir de beaucoup plus loin, comme par exemple d’autres galaxies.

Il apparut que ce sont les seconds qui avaient raison. Ainsi, ces nouvelles données permirent d’invalider de nombreux modèles théoriques jusqu’à ce qu’il en reste finalement moins de cinq, dont un appelé modèle standardou ’modèle du fireball, sur lequel nous reviendrons.

Figure. 3 : Le satellite Fermi – En orbite depuis 2008, ce satellite possède un instrument spécifiquement dédié à l’observation des sursauts gamma : le GBM (Gamma-Ray Monitor) . En 2009, il permit de détecter le plus puissant sursaut gamma jamais enregistré auparavant. L’énergie libérée était égale à plusieurs fois l’énergie de masse du Soleil ! Dessin d’artiste. Image credit : NASA.

Aujourd’hui, les sursauts gamma apparaissent comme des objets d’une importance capitale en astrophysique et ce, dans des domaines comme la cosmologie, la physique des plasmas ou la physique des hautes énergies. De plus, la lumière qu’ils nous envoient n’est pas la seule information que nous percevons des sursauts gamma. Ces derniers produisent également des rayons cosmiques, des neutrinos de haute énergie ainsi que des ondes gravitationnelles que nous commençons à détecter seulement depuis peu dans des expériences comme VIRGO et LIGO.

Les sursauts gamma à l’épreuve de l’observation

Les sursauts gamma sont détectés au rythme de 1 à 2 par jour, mais la brièveté du phénomène a toujours rendu difficile leur observation qui reste, aujourd’hui encore, un vrai défi sur le plan technologique et scientifique et ce, même en ce début de XXIème siècle.

Dès les premières observations, les astrophysiciens ont divisé les sursauts gamma en deux groupes distincts qui, comme nous le verrons plus loin, permettent d’imaginer au moins deux origines différentes : les sursauts dits courts qui ont une durée qui varie de la milliseconde à moins de deux secondes forment le premier groupe. Le second groupe est celui des sursauts dits longs dont la durée varie de quelques secondes à plusieurs minutes, voire parfois plusieurs heures.

Dans les deux cas, la courbe de lumière asymétrique et irrégulière qui est obtenue apparaît comme la superposition de plusieurs impulsions de photons gamma qui arrivent sur les détecteurs en orbite toutes les millisecondes environ (voir la Fig. 5).

L’énergie de tels photons est généralement comprise entre quelques dizaines de keV (kilo-électronvolt) et plusieurs GeV (giga-électronvolt), ce qui est très élevé comparé -par exemple - à l’énergie des photons visibles qui se situe autour de l’électron-volt (=1,6x10-19 Joule).

Le spectre associé à l’ensemble de ces photons est dit non thermique : cela signifie que le milieu émetteur, contrairement au Soleil par exemple, ne se comporte pas comme un corps noirs, ni comme un ensemble de corps noirs. Il ne peut être décrit qu’avec ce que l’on appelle des lois de puissances : autrement dit, il est produit par des particules chargées qui sont accélérées par différents processus.

Mais cette émission gamma, relativement brève et très intense, ne représente que la première partie du phénomène. Les scientifiques l’ont baptisée émission prompte. La carte de répartition des sursauts gamma, réalisée par BATSE et confirmée par Swift ou Fermi, montre que celle-ci est isotrope (voir la Fig. 4) : autrement dit, les sursauts gamma ne peuvent pas provenir d’une direction privilégiée comme le centre ou le plan de notre Galaxie, mais semblent issus de n’importe quelle région du ciel.

Peut-on voir un sursaut gamma à l’œil nu ?
Généralement, la lumière visible issue de l’émission prompte d’un sursaut gamma est beaucoup trop faible pour être perçue à l’œil nu.
Cependant, le 19 mars 2008, dans la constellation du Bouvier, un sursaut gamma a atteint une magnitude visuelle apparente de 5,8, c’est-à-dire inférieure à 6 qui est la limite au-delà de laquelle l’œil humain n’est pas assez sensible. Par comparaison, la magnitude visuelle du Soleil est de -26,7 et celle de la pleine Lune est de -12,7.
Ce sursaut gamma pouvait donc être observé à l’œil nu à condition d’observer dans la bonne direction et au bon moment ! Avec un décalage vers le rouge d’environ 0,93 soit une distance de 7,5 milliards d’années-lumière, il constituait, pendant une trentaine de secondes, le plus lointain objet céleste visible à l’œil nu.

La seconde partie du phénomène est constituée d’une émission rémanente (ou afterglow en anglais) qui, quant à elle, est observée peu après l’émission prompte et ce, parfois, pendant plusieurs mois. Sa principale caractéristique est de couvrir presque tout l’ensemble du spectre, des rayons X aux ondes radio, ce qui a pour avantage de pouvoir plus facilement déterminer le décalage vers le rouge. C’est ce que l’on fit avec le satellite Beppo-SaX dès 1997.

Ces décalages, avec des records allant jusqu’à z=8 ou 9 pour des sursauts longs, sont les plus élevés que l’on ait mesurés, supérieurs à ceux que l’on mesure – par exemple – pour les quasars : ils confirment les distances dites cosmologiques des sursauts gamma - c’est-à-dire pouvant aller jusqu’à plus de 10 milliards d’années-lumière - et placent le moment de leur formation parfois quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang.

Une des conséquences est que ces émissions rémanentes permettent non seulement de sonder le milieu environnant du sursaut gamma mais également tout ce qui se situe sur la ligne de visée entre la galaxie hôte où s’est produit le sursaut gamma et la Terre.

Quels sont les origines possibles pour les sursauts gamma ?

Les astres à l’origine des sursauts gamma, sont appelés progéniteurs. Leur taille est directement liée aux variabilités temporelles observées dans les courbes de lumières : celles-ci, de l’ordre de la milliseconde, impliquent que ces progéniteurs ne dépassent pas les quelques millisecondes lumière c’est-à-dire la taille d’un objet compact comme – par exemple - un trou noir ou une étoile à neutron.

Figure 4 : Répartition de 2704 sursauts gamma – Cette image représente la voûte céleste. Chaque point de couleur est la direction dans laquelle a été observé un sursaut gamma. Image credit : NASA/BATSE.

Ainsi, la première caractéristique que les modèles théoriques se doivent d’expliquer est la formidable quantité d’énergie qui est libérée lors d’un sursaut gamma et ce, dans un laps de temps très bref et, surtout, dans un volume d’espace très faible, c’est-à-dire équivalent à celui d’une étoile. L’énergie globale, via l’émission électromagnétique, celle de neutrinos ou encore celle sous forme d’ondes gravitationnelles, peut atteindre jusqu’à plusieurs fois l’énergie de masse du Soleil ! Il faut savoir qu’une supernova classique émet, par comparaison, environ mille fois moins d’énergie.

La seconde caractéristique qui doit être prise en compte est que la finalité du processus d’évolution pour tout progéniteur de sursaut gamma est la production d’un vent de matière étroit et collimaté, autrement dit de la forme d’un jet, et ultra-relativiste, c’est-à-dire dont la vitesse est très proche de celle de la lumière (au-delà de 0,999c !). C’est la seule possibilité qui, actuellement, permet d’expliquer l’énergie et le spectre de l’émission de rayonnement gamma, et par suite, l’émission rémanente.

C’est d’ailleurs le postulat de départ choisi dans le modèle de la boule de feu (ou fireball), le modèle qui semble fonctionner le mieux, aujourd’hui encore, et dont la paternité revient à Goodman, Paczynski et Rees & Meszaros qui l’ont développé de la fin des années 80 au début des années 90 : dans ce modèle, et cela reste vrai pour une partie des théoriciens, seule l’étude du vent ultra-relativiste produit in fine est importante pour expliquer les observations, et la question du progéniteur peut être étudiée séparément.

Néanmoins, cette question reste très importante si l’on souhaite comprendre les processus donnant naissance aux jets de matière, et nul doute qu’avec la précision des observations actuelles et futures, les détails de ces processus seront fondamentaux pour comprendre et expliquer l’ensemble du phénomène.

Les modèles les plus aboutis actuellement font donc la distinction entre deux voire trois types de progéniteurs pour les sursauts gamma.

Pour les sursauts courts, le scénario envisagé est celui de la coalescence de deux objets compacts : lorsque deux trous noirs ou un trou noir et une étoile à neutrons, ou encore deux étoiles à neutrons, sont en orbite l’un autour de l’autre, la perte d’énergie du système binaire via l’émission d’ondes gravitationnelles amène irrésistiblement, parfois au bout de plusieurs milliards d’années, à la fusion - ou à la coalescence - des deux objets en un seul plus massif qui est un trou noir. Même si les modèles théoriques n’ont pas encore réussi à expliciter les détails d’un tel scénario, ce processus de coalescence couplé à une réorganisation du champ magnétique dans la poussière entourant ce type d’objet serait susceptible de créer un double jet de matière orthogonal au plan de rotation du système binaire.

Pour les sursauts longs, les observations de l’émission rémanente montrent à l’évidence des liens avec des supernovæ très brillantes de type Ib/c se produisant essentiellement dans des régions où la formation stellaire est importante. A l’origine, il s’agit d’étoiles supermassives – comme, par exemple, des étoiles de Wolf-Rayet - d’une masse allant jusqu’à plusieurs dizaines de fois la masse du Soleil, qui éjectent leurs couches externes faites d’hydrogène et d’hélium et qui, d’après un modèle dit de collapsar développé par S. Woosley en 1993, s’effondrent directement en trou noir.

La matière qui n’est pas absorbée par le trou noir central forme alors un disque d’accrétion et c’est l’interaction entre ce disque et le trou noir en rotation qui va produire, par le biais d’un processus d’accrétion, les jets relativistes à l’origine du sursaut gamma : pour cela, il est nécessaire que le moment angulaire du trou noir reste modéré.

En effet, un moment angulaire trop grand, autrement dit une vitesse de rotation trop élevée du trou noir, implique que la matière composant le disque d’accrétion reste trop loin de l’objet central pour être chauffée par l’intense rayonnement de neutrinos. A l’inverse, un moment angulaire trop faible permet au trou noir d’absorber bien trop rapidement toute la matière du disque avant même qu’elle puisse être éjectée sous forme de jets et produire un rayonnement correspondant aux observations.

Un autre scenario a été envisagé et développé depuis plus d’une vingtaine d’années par Usov et par Duncan & Thomson (1992), mais il n’a connu que récemment un certain succès, notamment pour les sursauts gamma les plus longs (voir notamment Greiner & al. dans la revue Nature en 2014). L’idée est la suivante : certaines étoiles supermassives pourraient simplement s’écrouler en des étoiles d’un type un peu particulier qui représente environ 10% des étoiles à neutrons.

Figure 5 : Exemples de courbes de lumière pour les sursauts gamma – Chaque image représente le nombre de photons reçus chaque seconde en fonction du temps (en abscisse). La durée d’un pulse dans une courbe de lumière est de l’ordre de la milliseconde. Image credit : J.T. Bonnell (NASA/GSFC).

On appelle de telles étoiles à neutrons des magnétars. Leur caractéristique est de posséder un champ magnétique (2) beaucoup plus fort que les pulsars, sans doute les plus forts que l’on rencontre dans l’Univers, ainsi qu’une vitesse de rotation très élevée.

Et c’est justement ce champ magnétique qui permet d’extraire la formidable énergie de rotation du magnétar en donnant naissance à des jets de matière. La matière accrétée qui tombe sur le magnétar est guidée le long des lignes de champ magnétique vers les pôles magnétiques. L’énergie s’accumulant, elle serait alors évacuée via deux jets de matière fortement magnétisée.

Les différents modèles présentés ici sont ceux qui reproduisent au mieux ce que l’on observe. Mais il faut savoir que les détails des mécanismes d’éjection du vent de matière restent mal compris par les théoriciens et sont à la frontière de nos connaissances actuelles.

Comment nomme-t-on les sursauts gamma ?
Les sursauts gamma répondent à une dénomination bien précise : en anglais, on se sert de l’acronyme GRB pour Gamma-Ray Burst, puis on accole la date du jour de la détection ainsi qu’une lettre indiquant dans quel ordre il a été observé. Par exemple : le sursaut gamma GRB080319B est le deuxième (car B) sursaut gamma qui s’est produit le 19 mars 2008.

Enfin, d’autres modèles de progéniteurs existent avec des incompatibilités difficiles à effacer.

Néanmoins, ils font tous l’objet d’intenses débats dans la communauté des astrophysiciens, et sans doute que le meilleur modèle de progéniteur reste encore à définir. Peut-être aussi que l’étude des ondes gravitationnelles produites lors de la formation des progéniteurs permettra d’accéder directement à des informations clefs sur la nature des processus à l’œuvre ?

Le modèle de la boule de feu

Comme nous l’avons vu plus haut, ce modèle, considéré encore comme le modèle standard, ne décrit que l’évolution du jet ou du vent ultra-relativiste une fois qu’il a été produit par un objet central, le progéniteur, sans préciser ce qu’est ce progéniteur. L’idée est la suivante : comme nous l’avons vu, un vent de matière irrégulier est émis depuis l’objet central à des vitesses proches de celle de la lumière. Ce vent peut être représenté et modélisé par une succession de couches de matières, qui sont accélérées lors d’une première phase proche de l’objet central et qui emportent avec elles un champ magnétique relativement intense.

Ces couches, opaques à l’origine, ont chacune des vitesses très élevées, mais légèrement différentes suivant l’énergie qui est dégagée. La conséquences de ces faibles différences de vitesse pour un observateur extérieur est qu’à partir d’une certaine distance, les couches rentrent littéralement en collisions, les plus rapides rattrapant les plus lentes (voir la Fig. 6). Cela crée des chocs, dits semi-relativistes, très importants au sein du vent. On appelle cette deuxième phase, la phase de chocs internes.

Durant ces chocs, la matière du jet est profondément bouleversée : de nombreuses particules, en majorité des électrons et des protons, subissent alors plusieurs processus d’accélération, notamment des processus de Fermi du premier et du second ordre, les menant parfois à des énergies extrêmes. Ainsi, comme toute particule chargée et accélérée dans un champ magnétique émet un rayonnement d’autant plus énergétique que sa vitesse est importante, le vent se met à produire ce que l’on appelle du rayonnement synchrotron. Et c’est justement ce rayonnement synchrotron qui constitue l’essentiel de l’émission prompte l’on observe lors du sursaut gamma et qui rend compte des observations dans les premières secondes d’un sursaut gamma.

Figure 6 : Le modèle de la boule de feu – Ce dessin représente la structure du vent de matière éjecté par l’objet central sous forme de couches de matière qui entrent en collision à une certaine distance (autour de 108 km) et forment les chocs internes. A l’avnt du vent, se forme le choc externe lorsque le vent percute le milieu interstellaire environnant. Chaque choc interne produit des émissions de rayonnment gamma tandis que le choc externe produit une émission couvrant largement l’ensemble du spectre.

La suite de l’expansion du vent est la suivante : à l’avant, les premières couches éjectées commencent à rencontrer le milieu interstellaire environnant. Au début, ce milieu externe n’a que peu d’influence sur la dynamique du vent en expansion puis, il se forme un choc ultra-relativiste, que l’on appelle choc externe, à l’interface entre le vent et le milieu interstellaire. Ce choc, associé à des lignes de champ magnétique compressées, accélère lui aussi de nombreuses particules à l’intérieur du vent comme à l’extérieur et modifie les caractéristiques physiques du plasma composant le milieu (température, pression thermique et magnétique...).

Là encore, un fort rayonnement synchrotron issus des particules chargées apparaît, mais il couvre cette fois-ci presque tout le spectre électromagnétique. Cette troisième phase commence au début de l’émission rémanente et peut durer plusieurs heures. Enfin une dernière phase est celle de la décélération du vent qui se retrouve freiné par cette matière extérieure. Le vent ralentit progressivement et l’émission rémanente s’étiole alors peu à peu, le sursaut gamma finissant par devenir invisible pour les instruments d’observations.

Les sursauts gamma, de nouveaux outils pour la cosmologie ?

Contrairement aux supernovæ classiques, les sursauts gamma ne peuvent être considérés comme des chandelles standards, car les caractéristiques de leur courbes de lumières et leur luminosité sont propres à chaque sursaut et ne peuvent donc être utilisées, par exemple, comme étalon de distance. Cependant, les sursauts gamma, de par leur distance cosmologique les plaçant souvent à plusieurs milliards d’années-lumière, permettent d’étudier l’Univers lointain (ou jeune) aussi bien que l’espace intergalactique qui nous sépare d’eux.

Pour l’étude de l’Univers lointain, il faut savoir que les sursauts gamma sont très souvent associés à une galaxie hôte dans laquelle leur progéniteur s’est formé et a évolué jusqu’à l’explosion finale. Ces galaxies, les plus vieilles que l’on connaisse, sont apparues au tout début de l’Univers : nous ne savons d’elles que très peu de choses et les sursauts gamma sont vraisemblablement en lien direct avec les étoiles de première génération, ou étoiles de la population III, c’est-à-dire celles composées presque uniquement d’éléments très légers comme l’hydrogène et l’hélium.

Peuvent-ils nous aider à mieux comprendre la formation et l’évolution de ces premières étoiles ? Apporteraient-ils des informations importantes également sur le problème de la nature de la matière noire présente dans ces premières galaxies ? Ce sont des questions importantes à laquelle il faut répondre et pour lesquelles les sursauts gamma ont un rôle déterminant à jouer.

Les sursauts gamma et le mystère des rayons cosmiques ultra-énergétiques

De par la violence et la quantité d’énergie libérée, les sursauts gamma font de bons candidats pour accélérer des particules jusqu’à des niveaux d’énergie extrême. Mais , auparavant, rappelons brièvement ce que sont les rayons cosmiques.

Découverts il y a plus d’un siècle, les rayons cosmiques gardent encore, de nos jours, de nombreux mystères. Précisons, tout d’abord, que le terme « rayons » ne convient absolument pas puisqu’il s’agit principalement de particules de matière tout à fait ordinaires, à savoir, des noyaux atomiques (H+, He2+, …). Ces astroparticules voyagent à travers l’Univers et emportent avec elles une énergie(3) qui peut dépasser les 1020 eV, c’est-à-dire l’énergie d’une balle de tennis lancée à 100 km/h environ, mais concentrée dans une particule de taille microscopique !

L’observation des rayons cosmiques a permis de révéler que leur origine est différente suivant les gammes d’énergie : par exemple, les rayons cosmiques dont l’énergie est inférieure à quelques 109 eV proviennent essentiellement du vent solaire et leur composition est donc similaire à la composition chimique du Soleil.

Entre 109 eV et 1015 eV, les rayons cosmiques proviendraient plutôt de sources situées à l’intérieur notre Galaxie. Ils seraient accélérés via les chocs produits par les éjectas de supernovæ classiques et relativement proches de la Terre. Au-delà de 1015 eV, deux problèmes se superposent : tout d’abord, le nombre de rayons cosmiques est trop faible pour permettre des observations directes depuis des ballons ou des satellites et l’on ne dispose que de techniques moins précises d’observation indirecte qui se font au niveau du sol. Il est alors plus difficile d’établir précisément leur composition chimique.

Ensuite, leur énergie est telle qu’il ne semble pas exister d’objet astrophysique dans notre Galaxie capable de les produire en nombre suffisant pour expliquer le flux que l’on observe. Leur origine est donc nécessairement extragalactique : les recherches théoriques ont montré, au cours des dernières décennies, que ces derniers proviennent sans doute de vents relativistes issus de noyaux actifs de galaxie, de pulsars ou bien de sursauts gamma…

Le problème de la production des rayons cosmiques devient encore plus compliqué au-delà de 1019 eV. C’est à cette énergie que l’on commence à parler de rayons cosmiques ultra-énergétiques, que nous noterons plus simplement RCUE. D’un point de vue observationnel tout d’abord, leur nombre, au niveau de la Terre, ne dépasse pas quelques particules par km2 et par an, ce qui rend leur détection très difficile !

C’est pour cette raison que les nouveaux détecteurs au sol ont des surfaces collectrices de plusieurs milliers de km2, prêtes à intercepter les particules secondaires produites par ces astroparticules ultra-énergétiques lors de leur rentrée dans l’atmosphère. Ensuite, leur énergie est telle que les processus d’accélération à l’origine de leur production sont peu nombreux dans l’Univers que l’on observe. Parmi ceux-ci, les processus de Fermi sont les plus efficaces et les meilleurs candidats actuels, où peuvent se dérouler de tels processus, sont encore les noyaux actifs de galaxie et les sursauts gamma. Cependant, différents scenarii sont possibles quant aux conditions d’accélération pouvant donner naissance à des RCUE.

Pour les sursauts gamma, on a longtemps pensé que le choc externe ultra-relativiste pouvait produire des RCUE, mais des développements théoriques ont montré depuis une dizaine d’années que cela n’était pas possible ou, en tous cas, très difficile. Les pistes s’orientent plutôt vers les chocs internes semi-relativistes à l’intérieur même du vent de matière. Les particules, confinés dans le vent par le champ magnétique, rebondissent littéralement entre les différentes couches de matière éjectées et gagnent ainsi de plus en plus d’énergie jusqu’à finir par s’échapper et rejoindre le milieu interstellaire.

Parallèlement, la réorganisation continuelle de la matière et donc du champ magnétique dans le vent donne naissance à des phénomènes dits de reconnexion magnétique : eux-aussi sont à l’origine de processus d’accélération capables d’accélérer fortement des particules pour en faire des RCUE.

Enfin, le problème de la production des RCUE est intimement lié à celui de leur propagation ou transport dans l’espace : non seulement les rayons cosmiques ne se propagent pas en ligne droite et sont sans cesse déviés par les différentes structures magnétiques présentent dans l’Univers, mais les RCUE, contrairement aux rayons cosmiques de plus basse énergie, ne peuvent se propager sur de longues distances sans perdre une partie importante de leur énergie. En effet, en 1966, Greisen, Zatsepin et Kuzmin ont montré qu’au-delà de quelques 1019 eV, les rayons cosmiques interagissent avec les photons du fond diffus cosmologique[(4). C’est ce que l’on appelle l’effet GZK. A chaque interaction, les RCUE perdent de l’énergie en produisant des particules telles que les pions. Ainsi, on démontre que les RCUE dont l’énergie observée est de l’ordre de 1020eV ne peuvent provenir que de sources situées à l’intérieur d’une sphère (centrée sur la Terre) d’environ 100 Mpc de rayon(5).

Autrement dit, les RCUE qui viennent de plus loin ont subi une perte d’énergie trop importante et ne sont donc plus dans la catégorie des RCUE en arrivant au niveau de la Terre. Bien que le rayon de cette sphère, dite GZK, puisse paraître gigantesque, il reste néanmoins très inférieur à la taille de l’Univers observable qui est supérieure à plusieurs milliers de Mpc, ce qui réduit les possibilités quant aux différentes origines possibles.

En conclusion, si les sursauts gamma se révèlent tout à fait capables d’accélérer des particules jusqu’à produire des RCUE, sont-ils assez nombreux à l’intérieur de la sphère GZK pour expliquer le nombre de RCUE que l’on observe ? C’est une des grandes questions reliant les sursauts gamma au mystère des RCUE.

Les sursauts gamma sont-ils dangereux pour la vie sur Terre ?

Les sursauts gamma ne sont observables que lorsque l’un des deux jets de matière dont ils sont issus pointe en direction de la Terre. Cela vient du fait que toute l’émission électromagnétique est concentrée dans la direction du jet. En conséquence, si le nombre de sursauts gamma se produisant dans l’Univers est nettement plus élevé que celui que l’on observe, cela indique aussi que seuls les sursauts gamma pointant vers la Terre peuvent éventuellement avoir une influence sur notre écosystème.

Que se passerait-il si un sursaut gamma, pointant vers la Terre, se produisait dans notre Galaxie à une distance relativement proche de la Terre ?

Divers travaux ont montré que dans une galaxie comme la nôtre, il ne se produit qu’un sursaut gamma tous les 100000 ans environ. Cela paraît peu si l’on imagine qu’il faut en plus qu’il pointe vers la Terre pour être dangereux, mais cela implique tout de même qu’un tel sursaut gamma est susceptible d’affecter la Terre tous les 5 millions d’années.

A-t-on trouver des traces d’un tel cataclysme ? La réponse est oui. En étudiant le taux de carbone 14 dans les anneaux de croissance d’arbres vivants aux alentours de 774-775 de notre ère, on s’est aperçu d’une élévation anormale de ce taux traduisant une irradiation issue d’un bombardement de l’atmosphère terrestre par des particules de hautes énergies comme des photons gamma. Après avoir éliminé l’hypothèse d’une origine solaire, il semblerait que seul un sursaut gamma situé à moins de 10000 années-lumière était susceptible d’un tel changement de radiation.

Et si le sursaut gamma avait été plus proche ?

Les conséquences eurent été beaucoup plus terribles, et plusieurs scientifiques ont démontré ces dernières années que l’une au moins des cinq grandes extinctions massives d’espèces vivantes qu’a connu la Terre depuis un demi-milliard d’années est sans doute liée à l’explosion d’un sursaut gamma à moins de quelques milliers d’années-lumière.

Si la probabilité que cela arrive de notre vivant est extrêmement faible (heureusement !), on sait aujourd’hui qu’un sursaut gamma suffisamment proche de la Terre pourrait, dans le pire des cas, vaporiser son atmosphère et détruire toute forme de vie ou, dans le meilleur des cas, détruire une grande partie de la couche d’ozone laissant les ultraviolets du Soleil affecter toute la chaîne alimentaire et toute l’agriculture humaine pendant des décennies. Évidemment, toute exposition au Soleil deviendrait alors impossible pour les êtres vivants.

Notes :

(1) - Gamma-Ray Bursts en anglais, ou encore GRB
(2) - Jusqu’à 1015G alors que le champ magnétique terrestre est inférieur à 1 G
(3) - L’unité d’énergie utilisée est l’électron-volt (eV) qui vaut à peu près 1.6 x 10-19 J
(4) - Il s’agit du fameux rayonnement à 2.7 K produit environ 400 000 ans après le Big Bang et qui est présent dans tout l’Univers
(5) - 1 Mpc = 106 parsecs et 1 parsec = 3.26 années lumière…

Cet article est initialement paru à : Espace & Astrophysique, N°11, octobre 2015, et a été republié sur notre site avec l’aimable autorisation de l’auteur.


* Astrophysicien sans poste, Denis Gialis est spécialiste des processus d’accélération et de l’émission à haute énergie des particules au voisinage des objets compacts (trous noirs, étoiles à neutrons...) et dans les écoulements relativistes (vents de sursauts gamma, jets de noyaux actifs de galaxie...). Il survit en étant professeur dans l’enseignement supérieur privé. Il a publié récemment, avec F.X. Désert (directeur de l’IPAG), un ouvrage de problèmes en relativité générale à l’occasion du centenaire de cette théorie.

Visitez le site personnel de Denis Gialis