Au-delà de la lumière visible : percer les secrets du gamma

Par École supérieure d’économie de l’Université nationale de recherche1er août 2023

Les étoiles dépassant dix fois la masse du Soleil subissent des explosions cataclysmiques, se transformant en trous noirs, accompagnées de sursauts gamma brefs et imprévisibles, détectables via les télescopes spatiaux. Une étude détaillée de ces sursauts et de leur rayonnement optique associé, comme le montre le GRB 210619B de 2021, a fourni des données inestimables sur le fonctionnement de ces explosions d'étoiles et les conditions qu'elles créent.

Joseph Shklovsky, l'un des pionniers de l'astrophysique moderne, a postulé que l'existence d'une étoile est une lutte éternelle entre deux forces contradictoires : la gravité, qui s'efforce de rétrécir l'étoile, et la pression opposée du gaz qui cherche à la disperser. Lorsque les réactions thermonucléaires qui alimentent le noyau de l'étoile cessent, l'étoile perd sa capacité à maintenir son équilibre et commence à s'effondrer en un point singulier.

Ce scénario, lorsqu'il se produit avec une étoile dont la masse dépasse dix fois la masse de notre Soleil, entraîne la contraction du noyau et la rupture explosive de l'enveloppe externe. Cela conduit à une explosion extraordinairement puissante à l’échelle galactique. C’est ainsi que les étoiles les plus massives se transforment en trous noirs.

Ces explosions sont accompagnées d’une intense explosion de rayonnement gamma – un flux de photons transportant une énergie des millions de fois supérieure aux quanta de lumière visible que nous connaissons.

Un sursaut gamma est un événement extrêmement bref – d’une durée allant d’une fraction de seconde à plusieurs centaines de secondes – et imprévisible. Il n’existe aucun moyen d’anticiper l’emplacement précis dans le ciel ni le moment exact d’un sursaut gamma. De plus, comme l'atmosphère terrestre bloque le rayonnement gamma, les sursauts gamma ne peuvent être détectés qu'à l'aide de télescopes spatiaux.

Des sursauts gamma sont enregistrés depuis la fin des années 1960. Pendant de nombreuses années, les scientifiques n’ont enregistré que les rayonnements gamma invisibles à l’œil humain. Cependant, certains ont suggéré que ces sursauts pourraient être accompagnés d'un rayonnement optique observable depuis la Terre. En effet, elle a été observée pour la première fois le 23 janvier 1999.

Pour permettre la détection rapide du rayonnement optique, les scientifiques ont développé des télescopes robotisés capables de collecter des données en temps réel directement à partir de l'emplacement de l'explosion. Le 20 juin 2021, GRB 210619B, l'un des sursauts gamma les plus puissants documentés à ce jour a été observé à l'aide de télescopes situés en République tchèque et en Espagne, ainsi que du système russe Mini-MegaTORTORA appartenant à l'Université fédérale de Kazan et situé à le Caucase du Nord. Les télescopes ont commencé à enregistrer la rémanence lumineuse 28 secondes après le flash gamma. Les données acquises simultanément par trois télescopes ont permis de reconstruire la forme globale de la courbe de lumière, la pente du spectre optique à différents instants et l'évolution multibande précoce du rayonnement optique.

« Nous avons eu de la chance. Tout d’abord, nous avons observé une rémanence assez brillante. Deuxièmement, nous l’avons observé avec une résolution temporelle élevée en capturant des images à une fréquence fréquente. Troisièmement, nous avons obtenu des informations sur le spectre du rayonnement optique. Dans le système Mini-MegaTORTORA, nous avons pu effectuer des observations en utilisant simultanément un ensemble de filtres optiques, notamment bleu et visible (jaune-vert). En d’autres termes, nous avons mesuré non seulement la luminosité globale, mais également la luminosité affichée dans des couleurs individuelles spécifiques. Il s'agit d'un cas rare, voire unique », explique Anton Biryukov, co-auteur de l'étude et professeur agrégé à la Faculté de physique HSE.

La disponibilité de données détaillées sur le rayonnement dans diverses bandes d'ondes, y compris la plage optique, a permis de déterminer les paramètres physiques du milieu associé au sursaut gamma dans la région d'origine du rayonnement optique. « Le vaste ensemble de données obtenu par le groupe nous a permis d’étudier le fonctionnement interne du phénomène des sursauts gamma. Cela revenait à disséquer chirurgicalement un sursaut gamma et à examiner son mécanisme interne : examiner les particules en mouvement, leurs niveaux d’énergie, la densité du milieu environnant et les caractéristiques des champs magnétiques impliqués », a expliqué le scientifique.