Comment fonctionnent les sursauts gamma, les explosions les plus puissantes de l'univers

En quelques secondes aveuglantes, un sursaut gamma (GRB) peut libérer plus d'énergie que le Soleil n'en produira au cours de ses dix milliards d'années d'existence. Ces flashs cataclysmiques de rayonnement de haute énergie sont les explosions les plus puissantes de l'univers connu – environ un million de milliards de fois plus brillants que le Soleil – et ils se produisent quelque part dans le cosmos presque chaque jour.

Une découverte accidentelle

Les sursauts gamma ont été découverts tout à fait par hasard. En 1967, les satellites Vela des États-Unis – conçus pour surveiller le respect par l'Union soviétique du traité d'interdiction des essais nucléaires – ont détecté de mystérieux flashs de rayonnement gamma qui ne correspondaient à aucune signature d'arme nucléaire. Après des années d'analyse minutieuse, les astrophysiciens Ray Klebesadel, Ian Strong et Roy Olson ont publié la découverte en 1973, lançant l'une des plus longues enquêtes de l'astronomie moderne.

Pendant des décennies, les scientifiques n'ont pas pu déterminer d'où venaient les GRB ni ce qui les provoquait. La percée est survenue en février 1997 lorsque le satellite italo-néerlandais BeppoSAX a détecté un sursaut et, pour la première fois, a capturé sa rémanence de rayons X en train de s'estomper. Cette rémanence a permis aux astronomes de remonter à une galaxie lointaine, prouvant que les GRB proviennent de milliards d'années-lumière et doivent donc être d'une puissance incompréhensible.

Deux formes de fureur cosmique

Les astronomes classent les sursauts gamma en deux grandes catégories en fonction de leur durée.

Les sursauts de longue durée durent plus de deux secondes – parfois des minutes – et sont produits lorsque le cœur d'une étoile massive, au moins vingt-cinq fois la masse du Soleil, épuise son combustible nucléaire et s'effondre en un trou noir. Le trou noir nouvellement formé lance deux jets étroits de particules à près de la vitesse de la lumière, qui traversent l'étoile mourante et rayonnent d'intenses rayons gamma dans l'espace. Les astronomes appellent ce mécanisme le modèle du collapsar, et presque tous les GRB longs bien étudiés ont été liés à une galaxie avec une formation d'étoiles rapide et, dans de nombreux cas, à une supernova.

Les sursauts de courte durée durent moins de deux secondes et proviennent d'un scénario très différent : la collision de deux étoiles à neutrons, ou d'une étoile à neutrons et d'un trou noir. Ces restes ultra-denses spiralent vers l'intérieur pendant des millions d'années, perdant de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, jusqu'à ce que les forces de marée les déchirent et qu'ils fusionnent en un seul trou noir. La fusion déclenche de brefs et puissants jets qui produisent le flash de rayons gamma.

Les ondes gravitationnelles scellent l'affaire

Pendant des années, la théorie de la fusion d'étoiles à neutrons pour les GRB courts n'était que cela – une théorie. Puis, le 17 août 2017, les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont capté un signal appelé GW170817 : l'ondulation indubitable de l'espace-temps provenant de deux étoiles à neutrons en collision. À peine 1,7 seconde plus tard, le satellite Fermi de la NASA a détecté un sursaut gamma court provenant de la même zone du ciel. C'était la première fois qu'un GRB était observé en même temps que des ondes gravitationnelles, et cela a confirmé l'origine de la fusion sans l'ombre d'un doute.

Ce même événement a produit une kilonova – une lueur radioactive provenant d'éléments lourds fraîchement forgés. Les astronomes ont confirmé que les fusions d'étoiles à neutrons créent une grande partie de l'or, du platine et d'autres métaux lourds de l'univers, résolvant un mystère vieux de plusieurs décennies sur l'origine de ces éléments.

Comment les scientifiques les détectent

L'atmosphère terrestre bloque les rayons gamma, de sorte que les GRB ne peuvent être détectés que depuis l'espace. L'observatoire Swift de la NASA, lancé en 2004, est équipé d'un détecteur de rayons gamma sensible et de télescopes à rayons X et optiques embarqués qui pivotent automatiquement vers chaque nouveau sursaut en quelques secondes, capturant la rémanence avant qu'elle ne s'estompe. Le télescope spatial Fermi Gamma-Ray, lancé en 2008, détecte plusieurs centaines de sursauts par an grâce à son moniteur de sursauts gamma. Ensemble, ces missions ont catalogué des milliers de GRB et continuent de trouver des événements qui remettent en question les modèles existants.

Un GRB pourrait-il menacer la Terre ?

La réponse courte : presque certainement pas dans un avenir prévisible. L'énergie mortelle d'un GRB est concentrée dans des faisceaux étroits, et il n'y a pas d'étoiles à moins de deux cents années-lumière du Soleil qui soient susceptibles d'en produire un. Dans le pire des cas, un sursaut proche pointé directement vers la Terre pourrait endommager la couche d'ozone, exposant la surface à des rayonnements ultraviolets nocifs – et certains scientifiques ont émis l'hypothèse que cela pourrait avoir contribué à des extinctions massives dans le passé lointain de la Terre. Mais statistiquement, un sursaut aussi puissant que le GRB 221009A, qui a battu tous les records, ne frappe la Terre qu'environ une fois tous les dix mille ans.

Pourquoi ils sont importants

Les sursauts gamma sont plus que de spectaculaires jeux de lumière. Parce qu'ils sont visibles sur d'énormes distances, ils servent de balises cosmiques qui illuminent la chimie et la structure de l'univers primitif. Ils révèlent comment les étoiles massives meurent, comment les éléments lourds sont forgés et comment l'espace-temps lui-même se courbe dans des conditions extrêmes. Chaque nouvelle détection – en particulier celles qui enfreignent les règles établies – rapproche les physiciens de la compréhension des processus les plus violents de la nature.