Communiqué de presse

16 avril 2013 Une équipe internationale composant la collaboration FIGARO 1 (France – Italie – Australie) comprenant des astronomes des laboratoires ARTEMIS à Nice, IRAP à Toulouse et Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Institut Pythéas /CNRS-AMU) a découvert récemment que les étoiles très massives pouvaient exploser suivant une voie originale. Cette découverte est présentée aujourd’hui dans le cadre du colloque international sur les sursauts gamma à Nashville aux Etats-Unis. Elle a été publiée le 20 mars dernier dans The Astrophysical Journal.

Les sursauts gamma ont été découverts dans les années soixante-dix sous forme de brusques bouffées de rayons gamma détectées par des satellites militaires américains dont la finalité était la détection d’explosions de bombes nucléaires dans l’atmosphère. Ce n’est qu’à partir des années quatre-vingt-dix que l’on a compris qu’ils se produisaient à des distances considérables où les effets de la dilatation de l’Univers se font sentir.

On connaissait jusqu’à présent deux classes de sursauts gamma. Les sursauts courts d’une part, qui durent moins de deux secondes, et sont sans doute associés à la fin catastrophique d’un système binaire d’étoiles à neutrons (une étoile à neutron possède la masse de notre Soleil, mais dans un rayon de dix kilomètres au lieu de 600 000 kilomètres), dont les membres se rapprochent inexorablement sous l’effet du rayonnement gravitationnel ; ces sources sont considérées comme les meilleurs candidats pour la détection d’ondes gravitationnelles par l’instrument franco-italien VIRGO (CNRS/INFN), actuellement en phase de mise au point. D’autre part les sursauts « longs » durent de quelques secondes à quelques minutes. Ils sont associés à la fin de vie d’une étoile massive, de l’ordre d’une dizaine de fois la masse du Soleil ; l’étoile brule très rapidement son combustible nucléaire, hydrogène puis éléments plus lourds, et à l’épuisement des ressources un trou noir se forme en son centre tandis que les couches externes se précipitent vers le centre (figure 1).

Dans les deux cas un jet de matière allant à une vitesse très proche de celle de la lumière est émis, qui sera observé par les astronomes sous forme d’une émission puissante de rayons gamma et X, les formes les plus énergétiques de la lumière, mais aussi en optique, infrarouge et radio. Le 9 décembre 2011 le satellite Swift de la NASA a détecté un sursaut très puissant mais aussi très original, appelé GRB 111209a. En effet, contrairement aux sursauts gamma « classiques », sa durée était d’au moins 7 heures. Immédiatement il était suivi par une armada d’instruments à toutes les longueurs d’ondes, dont le télescope TAROT du CNRS placé à l’Observatoire Européen Austral au Chili et l’observatoire de rayons X XMM-Newton de l’Agence Spatiale Européenne.

L’équipe internationale conduite par l’astronome franco-italien Bruce Gendre a profité de l’ensemble de ces données pour chercher ce qui avait pu produire un sursaut d’une telle intensité pendant une telle durée. En effet, dans les deux cas indiqués plus haut, le sursaut ne peut durer que quelques secondes, au mieux quelques minutes. « C’était une surprise totale – déclare Bruce Gendre – car on ne comprenait pas comment un sursaut pouvait durer aussi longtemps. Vous n’attendez pas qu’une explosion dure plusieurs heures ! Il a fallu trouver le bon moteur pour alimenter le jet aussi longtemps »

Il fallait donc imaginer un mécanisme pour alimenter le jet sur une aussi longue durée. Bruce Gendre et ses collaborateurs ont proposé qu’un autre « monstre » soit invoqué : une étoile bleue super-géante, faisant 50 fois la masse du Soleil et composée presque exclusivement d’hydrogène, implose à la fin de sa vie en produisant le trou noir en son centre. Dans ce cas cependant, la taille énorme d’une telle étoile – elle s’étendrait jusqu’au-delà de l’orbite de Jupiter – fait que les couches externes prendront plusieurs heures pour se précipiter vers le centre, alimentant le jet pendant plusieurs heures.

L’un des problèmes est que normalement, les étoiles bleues super-géantes sont environnées d’un vent stellaire très puissant qui les dépouille de leurs couches externes. Il ne reste plus alors que le cœur de l’étoile mis à nu, et ce rapidement après leur formation. Pour maintenir les couches externes en place, l’équipe a proposé que l’étoile soit composée quasi-exclusivement d’hydrogène et d’hélium. Or, depuis le début de l’Univers, plusieurs générations d’étoiles ont été produites, chacune enrichissant un peu plus le milieu interstellaire en éléments lourds comme l’oxygène et le carbone lors des explosions de supernovae. GRB 111209a a été produit à une distance relativement modérée, à un moment où l’Univers devrait être déjà enrichi en éléments lourds, à qui on doit la vie. Ces faits semblent, au premier abord, incompatibles entre eux. Cependant, on sait maintenant qu’il existe toujours des régions, de plus en plus rares, composées presque exclusivement d’hydrogène dans notre voisinage galactique. « GRB 111209a a été produit dans une région composée presqu’exclusivement d’hydrogène, une sorte de fossile dans l’Univers actuel » déclare Michel Boër, chercheur au laboratoire ARTEMIS à Nice. « Fort heureusement, ces régions deviennent de plus en plus rare au gré des explosions de supernovas, car sinon cela pourrait être un problème pour nous » s’amuse-t-il.

Si un sursaut long devait se produire dans notre environnement, il aurait des conséquences fatales sur la vie sur Terre, ce qu’ont pointé les astronomes depuis longtemps. Cependant, l’enrichissement en éléments lourds de l’Univers fait que les sursauts gamma deviennent de plus en plus rares, en particulier dans des galaxies comme la nôtre, riches en populations d’étoiles évoluées.

La découverte de GRB 111209a, un événement très rare et que nous n’aurions pas pu détecter s’il avait été un peu plus loin, montre que nous n’en avons pas fini avec les surprises dans le zoo des explosions qui se produisent dans l’Univers. La compréhension de ces événements extrêmes est importante pour la synthèse des étoiles et les mécanismes qui peuvent produire la vie, mais aussi la menacer.

L’équipe à l’origine de cette découverte est composée de Bruce Gendre (ASDC/ARTEMIS/IRAP), Giulia Stratta (INAF), Jean-Luc Atteia (IRAP/CNRS/UPS), Stéphane Basa (LAM/CNRS/AMU), Michel Boër (ARTEMIS/CNRS/OCA/UNS), David Coward (University of Western Australia), Sarah Cutini (INAF), Valerio D’Elia (INAF), Eric J. Howell (University of Western Australia), Alain Klotz (IRAP/CNRS/UPS) et Luigi Piro (INAF).

Le plus grand programme de cartographie de l’Univers en 3 dimensions utilisant les télescopes de l’ESO vient d’atteindre la moitié de son objectif, et présente d’ores et déjà la carte la plus détaillée jamais produite. Cette cartographie a été menée par une équipe internationale d’astronomes à laquelle participent plusieurs chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (AMU,CNRS/ Institut Pythéas). Ces chercheurs ont mesuré les distances de 55000 galaxies avec l’instrument VIMOS ¹ sur le très grand télescope VLT de l’Observatoire Européen Austral (ESO) dans le cadre du grand relevé VIPERS ². Cela a permis de produire une vue remarquable de la distribution à 3-dimensions des galaxies alors que l’Univers n’avait que la moitié de son âge actuel, environ 7 milliards d’années, révélant les détails de la toile cosmique, la structure à grande échelle de l’Univers.

 

La toile cosmique permet de tester les théories de formation et d’évolution de l’Univers, à la recherche des propriétés de la mystérieuse énergie noire qui accélère l’expansion de l’Univers. Cartographier les grandes structures avec le temps, permet aussi de vérifier si la théorie de la Relativité Générale d’Einstein est valide à ces grandes échelles, ou s’il est nécessaire de la modifier. Le relevé VIPERS produit aujourd’hui la carte la plus détaillée de l’Univers tel qu’il était il y a 7 milliards d’années, une époque au cours de laquelle on pense que l’Univers est devenu dominé par l’énergie noire. VIPERS n’en est qu’à la moitié de son programme, mais les résultats annoncés sont très enthousiasmants. En particulier avec la première mesure du taux de croissance des structures à un décalage vers le rouge de 1, en accord avec la Relativité Générale, et un recensement précis du nombre de galaxies massives à cette époque. Avec cette première étape, l’équipe VIPERS soumet cette semaine les 7 premiers articles pour publication dans les revues scientifiques, dont deux ont des premiers auteurs français. Les données de VIPERS sont publiques, le premier catalogue de distances sera mis à disposition de la communauté internationale en septembre de cette année. La France est très active dans cette collaboration avec les équipes du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM), du Centre de Physique des Particules (CPT) et de l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP). VIMOS, qui est en opération depuis plus de 10 ans, est également l’un des instruments les plus productifs du VLT. Il est aussi à noter que les outils logiciels associés utilisés pour VIPERS ont été développés sous responsabilité française.