Rayonnement gamma noir éclaté GRB020819. Crédit d'image: Keck. Cliquez pour agrandir.
Pratiquement tout ce que nous savons de l'Univers nous parvient par l'intermédiaire de la lumière. Contrairement à la matière, la lumière est particulièrement adaptée pour parcourir les vastes distances à travers l'espace jusqu'à nos instruments. La plupart des phénomènes astronomiques sont cependant persistants et reproductibles - nous pouvons compter sur eux pour «traîner» pour une observation à long terme ou «revenir» régulièrement. Mais ce n'est pas le cas pour les sursauts gamma (GRB) - ces événements cosmologiques mystérieux qui suralimentent les photons (et les particules subatomiques) avec des niveaux d'énergie absurdement élevés.
Le premier GRB céleste détecté s'est produit lors de la surveillance du traité sur les armes nucléaires en 1967. Cet événement a nécessité des années d'analyse avant que son origine extraterrestre ne soit confirmée. Après cette découverte, des méthodes de triangulation primitive ont été mises en place à l'aide de détecteurs situés sur diverses sondes spatiales au sein du réseau interplanétaire (IPN). De telles méthodes ont nécessité beaucoup de calculs et ont rendu impossible un suivi instantané à l'aide d'instruments terrestres. Malgré les retards impliqués, des centaines de sources de rayons gamma ont été cataloguées. Aujourd'hui - même en utilisant Internet - il faudrait encore plusieurs jours pour répondre en utilisant une approche de détection de type IPN.
Tout cela a commencé à changer en 1991 lorsque la NASA a mis l'Observatoire Compton Gamma Ray (CGRO) dans l'espace en utilisant la navette spatiale Atlantis dans le cadre de son programme «Great Observatories». Dans les quatre mois suivant le balayage du ciel, le CGRO a clairement indiqué aux astronomes que l'Univers subissait des paroxysmes sporadiques et largement distribués de rayons gamma presque quotidiennement - des paroxysmes causés par des événements cataclysmiques qui lancent de grandes quantités de gamma et d'autres rayonnements à haute énergie à travers le abîme de l'espace-temps.
Mais le CGRO avait une limitation principale - bien qu'il puisse détecter les rayons gamma et alerter rapidement les astronomes, il n'était pas particulièrement précis quant à l'endroit où de tels événements se sont produits dans l'espace. En raison de ce grand «cercle d'erreur», les astronomes n'ont pas pu localiser la «rémanence» de lumière visible de tels événements. Malgré cette limitation, CGRO a continué à détecter des centaines de sources de rayons gamma continues, périodiques et épisodiques - y compris les supernovae, les pulsars, les trous noirs, les quasars et même la Terre elle-même! Pendant ce temps, le CGRO a également découvert quelque chose d'insoupçonné - certains pulsars agissaient comme des émetteurs à bande étroite de rayons gamma sans accompagner la lumière visible - et c'est là que résidait le premier sens des astronomes des GRB «sombres».
Aujourd'hui, nous savons que les «pulsars sombres» ne sont pas les seules sources «sombres» de rayons gamma dans l'Univers. Les astronomes ont déterminé qu'une petite partie des GRB épisodiques (à usage unique) sont également faibles en lumière visible et ils - comme toute personne chatouillée par l'inhabituel et l'inexplicable - veulent savoir pourquoi. En fait, les GRB sont si uniques que les aficionados peuvent souvent être entendus en disant "Quand vous avez vu un GRB, vous avez vu un GRB".
Le premier satellite à simplifier la détection optique des reflets GRB a été BeppoSAX. Développé par l'Agence spatiale italienne au milieu des années 1990, BeppoSAX a été lancé le 30 avril 1996 depuis Cap Canaveral et a continué à détecter et à localiser les sources d'émission de rayons X jusqu'en 2002. Le cercle d'erreur de BeppoSax était suffisamment petit pour permettre aux astronomes optiques de retrouver rapidement de nombreux GRB rémanence pour une étude détaillée en lumière visible à l'aide d'instruments terrestres.
BeppoSAX est rentré dans l'atmosphère terrestre le 29 avril 2003, mais à ce moment-là, le remplaçant de la NASA (HETE-2, le High Energy Transient Explorer-2) était déjà en poste depuis plusieurs années en orbite terrestre basse. L'instrument sur HETE-2 (sa première incarnation HETE n'a pas réussi à se séparer du troisième étage de sa fusée Pegasus en 1996) a élargi la gamme de détection des rayons X et fourni des cercles d'erreur encore plus étroits - tout ce dont les astronomes avaient besoin pour améliorer leur temps de réponse dans localiser les rémanences GRB.
Deux ans et quelques mois plus tard (lundi 19 août 2002), HETE-2 a déclenché les cloches et les sifflets alors qu'une forte source de rayons gamma a été détectée quelque part près de la tête de la constellation Poissons les poissons. Cet événement (désigné GRB 020819) a amené une série d'observatoires astronomiques à commencer à capturer des photons de radiofréquence, de proche infrarouge et de lumière visible dans le but de déterminer exactement où l'événement s'est produit et d'aider à donner un sens au phénomène qui le conduit.
Selon le document «The Radio Afterglow and Host Galaxy of the Dark GRB 020819» publié le 2 mai 2005 par une équipe internationale d'enquêteurs (dont Pall Jakobsson du Niels Bohr Institute, Copenhague, Danemark, qui a vérifié cet article), dans les 4 heures suivant la détection du télescope de 1 mètre de l'Observatoire de Siding Spring (SSO) en Australie a été tournée vers une région de l'espace inférieure à 1/7 du diamètre apparent de la Lune. 13 heures plus tard, un deuxième instrument légèrement plus grand - l'unité P60 de 1,5 mètre au mont. Palomar - a également rejoint la poursuite. Aucun de ces instruments - malgré la capture d'une lumière aussi faible que la magnitude 22 - n'a capturé quelque chose d'inhabituel pour cette région de l'espace. Cependant, une grande galaxie spirale barrée de 19,5 magnitudes et extrêmement photogénique tombait bien à la portée de leurs instruments.
Quinze jours plus tard, l'instrument Keck ESI de 10 mètres sur Mauna Kea, à Hawaï, a imagé la même région en lumière bleue et rouge jusqu'à une magnitude de 26,9. À cette profondeur optique, une «goutte» distincte de 24e magnitude (soupçonnée d'être une région de formation d'étoiles HII) pouvait être observée à 3 secondes d'arc au nord de la galaxie spirale. Une dernière tentative pour détecter quoi que ce soit de plus a été faite le 1er janvier 2003 - en utilisant à nouveau le compteur Keck 10. Aucun changement n'a été observé dans la lumière optique émanant de la région de GRB 020819. Tout cela a confirmé qu'aucune rémanence visible accompagnait l'explosion de rayons gamma détectée par HETE-2 quelque 134 jours plus tôt. L’équipe d’enquête avait son «appareil à rayons gamma noir». Plus tard viendrait la tâche de déterminer ce que c'était, ou du moins ce n'était pas…
Périodiquement tout au long du cycle d'inspection optique et proche infrarouge, la région de la salve a été surveillée aux fréquences des ondes radio. En utilisant le VLA (Very Large Array - composé de 27 plats de 25 mètres configurés en Y situés à cinquante miles à l'ouest de Socorro, Nouveau-Mexique), l'équipe a réussi à capturer une traînée décroissante de 8,48 Ghz et a identifié sa localisation.
Les premières ondes radio du GRB 020819 ont été collectées 1,75 jour après l'alerte HETE-2. Au jour 157, les niveaux d'énergie RF se sont aplatis au point où la source ne pouvait plus être vue avec confiance. Cependant, à ce moment-là, son emplacement avait été localisé avec précision à la «goutte» à trois secondes d'arc au nord du cœur de la galaxie spirale qui n'avait pas encore été établie. Malheureusement - en raison de sa faiblesse - la distance à la goutte elle-même n'a pas pu être déterminée spectrographiquement - cependant la galaxie s'est trouvée à environ 6,2 BLY et jouit d'une "haute confiance" en termes de relation avec la source.
À la suite de ces enquêtes, les astronomes en apprennent de plus en plus sur une classe d'événements cataclysmiques qui se traduit par des flux massifs de photons de haute et basse énergie tout en sautant presque complètement les fréquences intermédiaires - telles que l'ultraviolet, le visible et le proche infrarouge de la lumière. Y a-t-il quelque chose qui pourrait expliquer cela?
Sur la base des enseignements tirés du GRB 020819, l'équipe a exploré trois modèles de choc de boule de feu sur la façon dont les GRB sombres peuvent se produire. Des trois (une expansion uniforme des gaz à haute énergie dans un milieu homogène, même une expansion dans un milieu stratifié et un jet collimaté pénétrant dans l'un ou l'autre type de milieu), le meilleur ajustement contre les comportements GRB 020819 était celui d'une expansion uniforme des gaz à haute énergie dans un milieu homogène d'autres gaz (un modèle proposé pour la première fois par l'astrophysicien R. Sari et al en 1998). La vertu de ce modèle d'expansion isotrope étant (selon les mots de l'équipe d'enquête) que «seule une modeste extinction doit être invoquée» pour expliquer l'absence de lumière visible.
En plus de réduire la gamme de scénarios possibles associés aux GRB sombres, l'équipe a conclu que «GRB 020819, une rafale relativement proche, n'est que l'un des deux des 14 GRB localisés à l'intérieur (2 minutes d'arc en utilisant) HETE-2 qui ne ne pas avoir d'arthrose déclarée. Cela confirme la proposition récente selon laquelle la fraction de rafale sombre est bien inférieure à celle suggérée précédemment, peut-être aussi petite que 10%. »
Écrit par Jeff Barbour
