RAYONNEMENT COSMIQUERayons gamma cosmiques

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Les sursauts gamma

Les bouffées de rayonnement gamma (les sursauts) observées contiennent les signatures de phénomènes mettant en jeu des quantités d'énergie très élevées, et notamment des événements cosmiques catastrophiques. L'histoire des sursauts gamma est riche en péripéties et en rebondissements. Leur découverte, en 1968, par un satellite militaire américain de la série Vela, chargé de surveiller les explosions nucléaires soviétiques, ne fut rendue publique qu'en 1973. Depuis lors, ils n'ont cessé de défier l'ingéniosité des astrophysiciens : plus de cent modèles différents cherchant à les expliquer furent publiés entre 1973 et 1993 ! À partir de 1992, les résultats de l'expérience B.A.T.S.E. à bord de Compton ont remis en cause beaucoup d'idées anciennes et donné un élan nouveau à l'étude des sursauts. Cependant, jusqu'à la découverte, en 1997, de contreparties optiques pour plusieurs sursauts gamma, leur distance n'était pas connue, certains modèles les plaçant dans la banlieue de notre Galaxie, d'autres aux confins de l'Univers. Depuis lors, les découvertes se sont multipliées, confortant la seconde hypothèse.

Propriétés des sursauts gamma

Les sursauts gamma sont caractérisés par une émission brève (les plus courts durent quelques millièmes de seconde, les plus longs 1 000 secondes environ) dont le profil temporel peut varier considérablement d'un événement à l'autre. On observe dans certains cas un pic unique d'intensité, en général dissymétrique, avec une montée rapide et un déclin beaucoup plus lent. Plus souvent, le profil est complexe, avec plusieurs pics se chevauchant partiellement. Les propriétés spectrales sont plus simples et uniformes. Dans la plupart des sursauts, l'essentiel de l'énergie est transportée par des photons autour de quelques centaines de kiloélectronvolts. Certaines corrélations ont par ailleurs été découvertes entre les propriétés temporelles et les propriétés spectrales. Ainsi, les sursauts de courte durée apparaissent plus durs, c'est-à-dire qu'ils contiennent une proportion plus importante de photons de haute énergie.

Un des résultats les plus spectaculaires de l'expérience B.A.T.S.E. est également d'avoir fourni la carte donnant la distribution des sursauts sur le ciel. Ceux-ci sont répartis uniformément (leur distribution est dite isotrope), ce qui exclut qu'ils proviennent d'objets se trouvant dans le disque de notre Galaxie. Dans ce cas, on devrait en effet observer une concentration de sources dans l'épaisseur du disque, c'est-à-dire dans la direction de la Voie lactée. Les seules possibilités compatibles avec l'isotropie consistent soit à placer les sursauts dans un grand halo sphérique autour de notre Galaxie, soit à les repousser à distance cosmologique (à plusieurs milliards d'années-lumière). Aux distances intermédiaires, l'Univers est en effet structuré en galaxies, en amas puis en superamas de galaxies et ce n'est qu'aux plus grandes échelles qu'il présente un aspect isotrope. La découverte, depuis 1997, de contreparties optiques de sursauts gamma a confirmé leur origine cosmologique.

La découverte des contreparties optiques

La mauvaise résolution des observations constitue un des problèmes principaux de l'astronomie gamma : quand un sursaut est détecté, sa position sur le ciel ne peut être déterminée au mieux qu'à quelques degrés près, ce qui représente un très grand domaine à explorer pour un télescope optique. Dans une « boîte » de plusieurs degrés, le nombre de sources est si important que l'éventuelle contrepartie optique d'un sursaut gamma est extrêmement difficile à identifier dans la foule des objets présents. Le satellite italo-néerlandais BeppoSAX a permis de contourner la difficulté. Ce satellite, essentiellement consacré à l'astronomie des rayons X, mais qui est également équipé d'un détecteur de sursauts gamma, a ainsi pu observer, dans une dizaine de cas, un sursaut simultanément dans les domaines X et gamma. La résolution en X étant bien meilleure qu'en gamma, la position d'un sursaut peut alors être obtenue à environ une minute d'angle près (soit 1/30 du diamètre apparent de la Lune). Dans cette boîte d'erreur considérablement réduite, le nombre d'objets détectables par un puissant télescope optique reste important mais la recherche de la contrepartie optique du sursaut devient envisageable. Et, en effet, dans une dizaine de cas, l'attention des observateurs a été attirée par la présence dans la boîte d'erreur d'un objet d'aspect ponctuel et d'éclat variabl [...]

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Écrit par :

  • : docteur d'État en physique (spécialité astrophysique), directeur adjoint du laboratoire Astroparticule et cosmologie (A.P.C.), chercheur au Commissariat à l'énergie atomique
  • : chargé de recherche au C.N.R.S., Institut d'astrophysique de Paris
  • : docteur ès sciences, ingénieur au Commissariat à l'énergie atomique, chef du groupe d'astronomie gamma spatiale

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Pour citer l’article

François LEBRUN, Robert MOCHKOVITCH, Jacques PAUL, « RAYONNEMENT COSMIQUE - Rayons gamma cosmiques », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 17 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/rayonnement-cosmique-rayons-gamma-cosmiques/