DE L'ASTRONOMIE : sursauts gamma

     Le jour de Noël 2010, le satellite Swift - qui observe le cosmos depuis 6 ans à la recherche de ces énormes émissions de lumière que l’on appelle des sursauts gamma – détecte une énorme bouffée de photons (particules de lumière) dans la direction de la galaxie d’Andromède, notre plus proche voisine. Il faut toutefois se dépêcher de l’observer car on sait que ces éruptions brutales ne durent pas longtemps : de une à quelques dizaines de secondes au maximum. Swift communique instantanément les coordonnées de l’émission lumineuse aux télescopes terrestres afin qu’ils puissent rapidement « verrouiller » leur cible et débuter leurs observations puis il continue la surveillance du phénomène. Sauf que le temps passe, que les dizaines puis les centaines de secondes s’écoulent sans que le flux de photons ne faiblisse. Au total, le sursaut gamma dure presque 30 minutes (et peut-être même beaucoup plus car Swift est obligé de passer derrière la Terre - dont il fait le tour - en perdant forcément la liaison). IL y avait des sursauts gamma courts (une seconde) et des longs (plusieurs dizaines de secondes) : voilà qu’une nouvelle forme de ce phénomène apparaît, les sursauts ultra-longs. De quoi s’agit-il donc ? Que s’est-il passé du côté de la galaxie voisine de la nôtre ? Et, d’une façon générale, ces sursauts gamma que l’on peut qualifier d’événements les plus violents de l’Univers, c’est quoi en définitive ?

Une découverte récente

    Les sursauts gamma sont des bouffées de photons qui apparaissent au hasard dans le cosmos. Situés à de très grandes distances, parfois à des milliards d’années-lumière (ce qui, rappelons-le veut également dire des milliards d’années dans le passé), ils sont visibles de notre modeste planète parce qu’il s’agit des événements les plus lumineux et violents de l’Univers (en intensité ils sont classés juste après le Big bang).

     Leur découverte est relativement récente puisque datant de la « guerre froide » et plus précisément de l’année 1967, lorsque les satellites militaires américains qui les observèrent pour la première fois laissèrent penser qu’il s’agissait probablement de l’empreinte d’armes nucléaires : il faut dire qu’on cherchait alors à vérifier le respect du traité d’interdiction des essais atomiques atmosphériques ! Cette ambiance bien particulière poussa les responsables à ne rendre publiques ces observations que dix ans plus tard. Mais, même à cette époque, on ne savait toujours pas grand-chose de ces phénomènes sauf qu’ils étaient variables en intensité et parfaitement  aléatoires donc imprévisibles. C’est quelques années plus tard qu’on mit en évidence deux types différents d’émissions : les sursauts courts et les sursauts longs. Enfin, quelques années plus tard encore, en 1997, grâce au satellite italo-hollandais BeppoSax, équipé à la fois d’un détecteur gamma et d’un détecteur de rayons X, on arriva à orienter l’étude du phénomène vers une source supposée responsable.

Différents types de sursauts gamma

     Nous avons déjà eu  l’occasion d’évoquer les rayons gamma lors du sujet traitant des rayons cosmiques : le rayonnement cosmique est un flux de noyaux atomiques (protons principalement mais aussi noyaux d’hélium) et de particules de haute énergie (qu’on nomme également « relativistes » parce que proches de la vitesse de la lumière telle que définie par la théorie de la relativité générale). Leur origine provient de processus astrophysiques extrêmement violents au cours desquels s’observent également des flashs intenses de photons gamma. On a assez rapidement rapproché l’émission de ces photons gamma de la mort d’étoiles et de la formation de trous noirs. Toutefois, il existe à l’évidence deux phénomènes de nature différente.

     Les sursauts longs (plusieurs dizaines de secondes) ont été corrélés sans trop d’hésitation à la mort dune étoile massive, c'est-à-dire, comme nous l’avons déjà vu, d’une étoile faisant plus de huit fois la masse de notre Soleil. En effet, lorsqu’elle se retrouve « à court de carburant », une telle étoile voit les réactions nucléaires, qui jusque là se produisaient en son cœur, se ralentir et s’affaiblir au point de ne plus pouvoir contrebalancer le poids de ses couches externes. Celles-ci s’effondrent vers le centre de plus en plus dense de l’étoile : les moins massives de ces étoiles géantes donneront une étoile à neutrons tandis que les plus grosses voient leur cœur être remplacé par un trou noir. Ce trou noir va absorber une grande partie de la matière externe de l’étoile géante et en recracher le reste sous la forme de deux jets opposés composés de matière brûlante éjectée à une vitesse proche de celle de la lumière : il suffit que l’un de ces jets pointe en direction de la Terre pour que l’on observe l’extraordinaire explosion de l’étoile géante. Et cela même si elle est très éloignée de nous car l’émission d’énergie est en effet colossale et visible dans tout l’Univers.  À cette occasion, l’étoile mourante peut éclipser toutes les autres étoiles de sa galaxie qui sont pourtant des milliards. Précisons que la mort de telles étoiles est finalement assez rare : depuis l’invention du télescope il y a plusieurs siècles, aucune n’a été observée dans notre galaxie.

     Les sursauts courts, c’est une autre affaire et il faut bien avouer qu’il a été plus difficile de les expliquer. Il faut attendre 2005 et l’observation localisée d’un sursaut court par le satellite HETE-2 pour se rendre compte que les caractéristiques des galaxies contenant des sursauts courts sont bien différentes des autres. De ce fait, on n’a certainement pas affaire en pareil cas à la fin d’une étoile massive mais à un phénomène impliquant une étoile double (binaire) : ici, les protagonistes en présence sont des objets très denses comme une étoile à neutrons ou un trou noir. En se rapprochant, les objets de la binaire finissent par fusionner en émettant un flash de photons gamma, intense mais bref.

     La lumière, on l’a dit, a une vitesse de propagation de 300 000 km/seconde environ. Bien que cette vitesse soit très élevée (en terme de capacités humaines), l’Univers est si vaste qu’il faut aux rayons lumineux des milliards d’années pour nous parvenir des endroits les plus éloignés de nous. Ce qui veut dire également qu’une source lumineuse si lointaine sera atténuée et difficilement identifiable au sein des milliards d’étoiles plus proches. On saisit donc pourquoi, en dehors de la compréhension des phénomènes proprement dits, les sursauts gamma ont un grand intérêt documentaire : visibles de très loin, ils nous renseignent sur les galaxies lointaines et, par conséquent, sur les premiers instants de notre univers.

 Sursauts gamma ultra-longs

     Depuis 2010 et le satellite Swift, on a donc affaire à ce qui est peut-être un troisième genre de sursauts gamma, ceux qui durent vraiment plus longtemps que les autres. Par quoi peuvent-ils bien être générés ? Baptisé du doux nom de GRB 101225A, le sursaut gamma observé par Swift donne lieu à plusieurs hypothèses. On évoque tout d’abord, au sein d’une étoile binaire, la fusion d’une étoile à neutrons avec une étoile normale comme le Soleil mais en train de mourir et donc au stade de géante rouge : la fusion des deux aurait donné un trou noir et les événements, notamment lumineux, y afférent. Une autre hypothèse met en scène une comète tombant sur une étoile à neutrons appartenant forcément à notre propre galaxie et donc beaucoup plus proche que primitivement imaginé, à peut-être 10 000 années-lumière de nous.

     C’est à ce moment de la réflexion des chercheurs que des études plus approfondies de la distance du phénomène montrent qu’il est en fait éloigné de… 7 milliards d’années-lumière, bien au-delà da la galaxie d’Andromède ! Beaucoup plus loin que ce que l’on avait jamais pensé… et provoqué par quelque chose d’énorme. On en revient aux étoiles géantes.

     On repense à nouveau complètement la question. Nous savons que le sursaut gamma dure le temps que mettent les couches externes d’une étoile pour tomber sur le cœur : quelques minutes au plus dans le cas d’une étoile massive. Comment expliquer des dizaines de minutes, voire presque deux heures pour une observation plus récente ? Il faudrait que l’étoile en cause soit absolument monstrueuse, d’une taille si importante que les scientifiques considèrent cela comme impossible.

     Impossible parce que, pour entretenir un sursaut gamma de cette importance, il faudrait une étoile d'un volume égal à des millions de Soleils ! Et une telle étoile, si elle existe, ne pourrait de toute façon pas émettre un tel sursaut gamma : les étoiles géantes de ce type perdraient en effet jusqu’au trois-quarts de leur masse au cours de leur vie, une matière qui ne serait donc plus disponible par la suite… Alors ?

     Il existe une autre explication possible : une étoile dont les couches externes seraient perméables aux différentes radiations ce qui permettrait alors à ces enveloppes externes de rester autour du cœur de l’étoile jusqu’à sa mort. De telles étoiles existent (ou ont existé) : ce sont les étoiles primordiales que nous avons évoquées à plusieurs reprises sur ce blog. Au total, on se trouve devant une supergéante bleue presque exclusivement composée d’hydrogène et d’hélium avec très peu d’oxygène et pas du tout d’éléments lourds (fer, carbone, etc.) qui, eux, apparaissent dans les générations suivantes d’étoiles précisément à la mort de ces étoiles dites primordiales… Un seul problème mais il est de taille : ces étoiles de première génération ont disparu dès le début de l’Univers, il y a 13,6 milliards d’années. Comment se pourrait-il qu’il en existe encore vers - 7 milliards d’années (puisque le sursaut gamma qui nous intéresse provient d’un endroit situé à 7 milliards d’années-lumière) ?

     C’est là qu’intervient l’observation de galaxies originales, en quelque sorte « marginales » dans le grand bal galactique. On sait que, normalement, les galaxies se remodèlent sans cesse et que les plus grosses avalent, « phagocytent » les plus petites qui sont trop proches et encore liées à elles par la gravité. Chaque fois, les nuages de gaz se percutant, c’est alors une débauche de nouvelles naissances d’étoiles, étoiles de plus en plus riches en éléments lourds. Toutefois, certaines galaxies semblent rester en dehors de cette vie agitée et on pense que c’est le cas de celle qui abrite le sursaut gamma GRB 101225A : une petite tache bleue bien au-delà d’Andromède. On y trouve sans doute ces étoiles géantes qu’on pensait disparues depuis des milliards d’années et qui s’y fabriquent peut-être encore…

Danger des sursauts gamma

     Un sursaut gamma n’est pas seulement un phénomène extraordinaire comme l’Univers nous en propose parfois et l’élucidation de son mécanisme n’est pas qu’un jeu de l’esprit ou le simple désir d’expliquer les choses. C’est aussi un phénomène dont il faut se méfier… et qu’il est donc nécessaire de connaître le mieux possible !

     On le disait précédemment : des sursauts gamma, on n’en a pas vu depuis des siècles dans notre galaxie et c’est tant mieux. À moins de 6000 années-lumière de nous, ce type de phénomène hautement énergétique pourrait être mortel pour la Terre. Il faut pour cela, comme on l’a vu, que le faisceau soit dirigé vers notre planète : il brillerait alors aussi fort que le Soleil ! La conséquence en serait une destruction importante de la couche d’ozone (30 à 40% durant au moins 10 ans) avec pour résultat immédiat la mise à mal du phytoplancton, base de la chaîne alimentaire océanique. On ne parle évidemment pas des ravages que pourrait entraîner une telle situation sur la peau d’homo sapiens… Mais ce n’est pas tout. Il y aurait aussi une diminution de la photosynthèse avec un effondrement de la production alimentaire tandis que, dans le même temps, l’atmosphère terrestre se colorerait en permanence d’une teinte orange en raison de la formation d’oxyde de carbone… Toutes les chaînes alimentaires seraient touchées, au premier rang desquelles, évidemment, celles qui concernent l’Homme. Peut-être le début de sa fin de la domination sur la planète ! Il s’agit d’un risque qu’il ne faut pas prendre à la légère : de nombreux spécialistes pensent par exemple que c’est un sursaut gamma relativement proche qui pourrait expliquer l’extinction de masse de l’ordovicien il y a 440 millions d’années (60% des genres et 80% des espèces détruits).

     L’apparition d’un phénomène aussi violent peut, en revanche, apporter quelque chose de positif. Bien des astronomes pensent que la formation du système solaire à partir de son nuage de gaz primordial il y a 4,5 milliards d’années a été grandement facilité (si ce n’est réalisé) par l’explosion d’une supernova relativement proche et de son cortège de phénomènes éruptifs comme, peut-être, un important sursaut gamma. On peut donc en déduire sans trop risquer de se tromper que ce qui peut contribuer à donner la Vie peut également aboutir à sa destruction. Une leçon à méditer.

Sources :

1. Wikipedia France ; Wikipedia USA

2. Science & Vie, 1152, septembre 2013

3. Encyclopaedia Universalis

4. Encyclopaedia Britannica

5. www.futura-sciences.com

6. www.notre-planete.info

Images :

1.  sursaut gamma (sources : club.doctissimo.fr)

2. autre sursaut gamma (sources : astronomie.skyrock.com)

3. naissance d'une étoile géante (sources : skyimagelab.com)

4. supernova (sources : astrosurf.com)

5. trou noir et étoile à neutrons (sources : commons.wikimedia.org)

6. le satellite Swift (sources : nasa.gov)

7. supergéante bleue (sources : afhalifax.ca)

8.Terre détruite (sources : channel.nationalgeographic.com)

 (pour lire les légendes des illustrations, posser le pointeur de la souris sur l'image)

Mots-clés : satellite Swift - satellite BeppoSax - rayonnement cosmique - étoile à neutrons - trou noir - supernova - étoile binaire - géante rouge - supergéante bleue - étoiles primordiales - extinction de masse de l'ordovicien

   (les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. mort d'une étoile

2. novas et supernovas

3. les extinctions de masse

4. les étoiles primordiales

5. galaxies cannibales

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mise à jour : 16 mars 2023