Crédit d'image: ESO
Les sursauts gamma sont parmi les plus grandes explosions de l'Univers; on peut générer plus d'énergie en quelques secondes que le Soleil n'en crée en 10 milliards d'années. On pense qu’elles sont causées par l’effondrement d’une étoile super massive, appelée hypernova. Les astronomes de l'Observatoire européen austral ont suivi la rémanence d'un éclat récent en utilisant une technique appelée polarimétrie, qui leur permet de suivre la forme de l'explosion. S'il s'agissait d'une explosion sphérique, la lumière aurait une polarité aléatoire, mais ils ont constaté que le gaz s'écoule dans des jets qui s'élargissent avec le temps.
Les «sursauts gamma (GRB)» sont certainement parmi les événements les plus dramatiques connus en astrophysique. Ces courts éclairs de rayons gamma énergétiques, détectés pour la première fois à la fin des années 60 par des satellites militaires, durent de moins d'une seconde à plusieurs minutes.
Les GRB se sont révélés être situés à de très grandes distances («cosmologiques»). L'énergie libérée en quelques secondes lors d'un tel événement est plus importante que celle du Soleil pendant toute sa durée de vie de plus de 10 000 millions d'années. Les GRB sont en effet les événements les plus puissants depuis le Big Bang connu de l'Univers, cf. ESO PR 08/99 et ESO PR 20/00.
Au cours des dernières années, des preuves indirectes ont montré que les GRB signalaient l'effondrement d'étoiles extrêmement massives, les soi-disant hypernovae. Cela a finalement été démontré il y a quelques mois lorsque les astronomes, utilisant l'instrument FORS du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO, ont documenté avec des détails sans précédent les changements dans le spectre de la source de lumière («la rémanence optique») de la rafale de rayons gamma GRB 030329 (cf. ESO PR 16/03). Un lien concluant et direct entre les explosions cosmologiques de rayons gamma et les explosions d'étoiles très massives a été fourni à cette occasion.
Le Gamma-Ray Burst GRB 030329 a été découvert le 29 mars 2003 par le vaisseau spatial High Energy Transient Explorer de la NASA. Des observations de suivi avec le spectrographe UVES au télescope VLT KUEYEN de 8,2 m de l'Observatoire de Paranal (Chili) ont montré que la salve avait un décalage vers le rouge de 0,1685 [1]. Cela correspond à une distance d'environ 2 650 millions d'années-lumière, ce qui fait du GRB 030329 le deuxième GRB de longue durée le plus proche jamais détecté. La proximité du GRB 030329 a entraîné une très forte rémanence d'émission, permettant les observations de suivi les plus complètes de toute rémanence à ce jour.
Une équipe d'astronomes [2] dirigée par Jochen Greiner du Max-Planck-Institut f? R extraterrestrische Physik (Allemagne) a décidé de profiter de cette occasion unique pour étudier les propriétés de polarisation de la rémanence du GRB 030329 au fur et à mesure de son développement après la explosion.
Les hypernovae, la source des GRB, sont en effet si loin qu'elles ne peuvent être vues que comme des points de lumière non résolus. Pour sonder leur structure spatiale, les astronomes doivent donc s'appuyer sur une astuce: la polarimétrie (voir ESO PR 23/03).
La polarimétrie fonctionne comme suit: la lumière est composée d'ondes électromagnétiques qui oscillent dans certaines directions (plans). La réflexion ou la diffusion de la lumière favorise certaines orientations des champs électriques et magnétiques par rapport à d'autres. C'est pourquoi les lunettes de soleil polarisantes peuvent filtrer la lueur du soleil se reflétant sur un étang.
Le rayonnement dans une salve de rayons gamma est généré dans un champ magnétique ordonné, sous le nom de rayonnement synchrotron [3]. Si l'hypernova est sphériquement symétrique, toutes les orientations des ondes électromagnétiques seront présentes de manière égale et auront une moyenne, il n'y aura donc pas de polarisation nette. Si, cependant, le gaz n'est pas éjecté symétriquement, mais dans un jet, une légère polarisation nette sera imprimée sur la lumière. Cette polarisation nette changera avec le temps puisque l'angle d'ouverture du jet s'élargit avec le temps, et nous voyons une fraction différente du cône d'émission.
L'étude des propriétés de polarisation de la rémanence d'une salve de rayons gamma permet ainsi d'acquérir des connaissances sur les structures spatiales sous-jacentes et la force et l'orientation du champ magnétique dans la région où le rayonnement est généré. «Et le faire sur une longue période de temps, alors que la rémanence s'estompe et évolue, nous fournit un outil de diagnostic unique pour les études sur les sursauts gamma», explique Jochen Greiner.
Bien que des mesures uniques antérieures de la polarisation de la rémanence optique du GRB existent, aucune étude détaillée n’a jamais été faite de l’évolution de la polarisation avec le temps. C'est en effet une tâche très exigeante, uniquement possible avec un instrument extrêmement stable sur le plus grand télescope… et une rémanence optique suffisamment brillante.
Dès la détection du GRB 030329, l'équipe d'astronomes s'est donc tournée vers le puissant instrument multimode FORS1 du télescope VLT ANTU. Ils ont obtenu 31 observations polarimétriques sur une période de 38 jours, ce qui leur a permis de mesurer, pour la première fois, les changements de polarisation d'une rafale de rayons gamma optiques après lueur avec le temps. Cet ensemble unique de données d'observation documente les changements physiques dans l'objet distant avec des détails inégalés.
Leurs données montrent la présence d'une polarisation au niveau de 0,3 à 2,5% tout au long de la période de 38 jours avec une variabilité significative de la force et de l'orientation sur des échelles de temps allant jusqu'à quelques heures. Ce comportement particulier n'a été prédit par aucune des principales théories.
Malheureusement, la courbe de lumière très complexe de cette rémanence GRB, en soi non comprise, empêche une application directe des modèles de polarisation existants. «Il s'avère que dériver la direction du jet et la structure du champ magnétique n'est pas aussi simple que nous le pensions à l'origine», note Olaf Reimer, un autre membre de l'équipe. "Mais les changements rapides des propriétés de polarisation, même pendant les phases lisses de la courbe de lumière rémanente, posent un défi à la théorie de la rémanence".
"Peut-être", ajoute Jochen Greiner, "le faible niveau global de polarisation indique que la force du champ magnétique dans les directions parallèle et perpendiculaire ne diffère pas de plus de 10%, suggérant ainsi un champ fortement couplé avec le matériau en mouvement. Ceci est différent du champ à grande échelle qui reste de l'étoile qui explose et qui est censé produire le haut niveau de polarisation dans les rayons gamma. "
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
