Depuis un an le satellite Svom traque les cataclysmes gamma des explosions des premières étoiles

L’une des plus importantes découvertes en astrophysique que l’on doit à l’essor de l’astronomie gamma est restée pendant une décennie environ un secret militaire. Ce n’est qu’au début des années 1970 que la communauté scientifique a appris l’existence des sursauts gamma (gamma-ray bursts ou GRB, en anglais).

Elle a d’abord été déroutée car ces GRB étaient visiblement produits par des processus capables de libérer en quelques dizaines de secondes tout au plus l’équivalent de l’énergie rayonnée par le Soleil pendant toute sa vie théorique, c’est-à-dire environ 10 milliards d’années.

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Il s’est avéré qu’il y avait deux types principaux de sursauts gamma, les courts – durant moins de deux secondes – et les longs – durant quelques dizaines de secondes en moyenne.

On a de bonnes raisons de penser que le premier type est dû à la collision de deux étoiles à neutrons – collision à l’origine de certaines des sources d’ondes gravitationnelles et qui donne lieu à ce que l’on a appelé des kilonovae.

On a aussi de bonnes raisons de penser que le second type est celui des hypernovae, c’est-à-dire des étoiles très massives dont le cœur s’effondre brutalement en donnant un trou noir accrétant de la matière qui produit des jets très énergétiques déchirant la surface des étoiles qui explosent alors. 

Une très belle vue d’artiste de l’explosion d’une hypernova avec la formation d’un trou noir dans l’étoile génitrice. Ces images de synthèse illustrent le modèle d’hypernova, qui doit rendre compte de la majorité des sursauts gamma longs. Avant l’explosion d’une étoile très massive, un trou noir se forme à la place de son cœur en avalant ensuite le reste de l’étoile. Comme il se forme aussi un disque d’accrétion avec des jets de particules, on les voit émerger de la surface de l’étoile et se propager dans le milieu interstellaire en créant une onde de choc. Des émissions de photons gamma s’y produisent alors. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Desy, Science Communication Lab

Des étoiles primitives de population III ?

On sait que de manière générale les supernovae font partie du processus de nucléosynthèse stellaire au cœur des étoiles massives. Processus qui commence par la fabrication de noyaux lourds par fusion thermonucléaire d’éléments légers. Ces noyaux lourds sont ensuite dispersés dans les galaxies par les explosions de ces étoiles. Nous sommes donc bien des poussières d’étoiles, comme le disait Hubert Reeves.

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On peut raisonnablement penser que les toutes premières étoiles, celles dites de population de type III, sont nées quelques centaines de millions d’années après le Big Bang et qu’elles étaient particulièrement massives, capables de produire les premiers éléments lourds au-delà du lithium, comme des noyaux de carbone, d’azote et d’oxygène que l’on retrouve dans les molécules organiques du vivant.

Ces premières étoiles et celles nées un peu plus tard doivent donner des sursauts gamma longs. L’étude des explosions accompagnant ces GRB devrait nous donner des renseignements précieux pour comprendre les premières étoiles et découvrir à quel point elles étaient malgré tout proches, ou non, de celles qui sont plus jeunes et explosent sous la forme de supernovae plus classiques.

Une mission spatiale a donc été conçue pour étudier spécifiquement les sursauts gamma et notamment les longs. Il s’agit de la mission franco-chinoise Svom (Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor). Elle a été lancée le 22 juin 2024 par la fusée chinoise Longue Marche 2C depuis la base de lancement de Xichang.

Svom est le fruit d’une collaboration des deux agences spatiales nationales, CNSA (China National Space Administration) et Cnes (Centre national d’études spatiales) avec les contributions principales des laboratoires de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) et de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Irap) pour la France et de l’Observatoire Astronomique national (NAO) et l’Institut de Hautes énergies de Pékin (IHEP) pour la Chine.

La mission spatiale franco-chinoise Svom est consacrée à la localisation et à l’étude des plus lointaines explosions d’étoiles, les sursauts gamma. Ces cataclysmes qui se signalent par un bref éclair de rayons gamma, la forme la plus énergétique de la lumière, accompagnent la désintégration des plus grosses étoiles. Visibles jusqu’aux confins de l’Univers, ces explosions offrent l’unique moyen d’observer le destin des toutes premières étoiles de l’Univers et de sonder les confins du cosmos. Voir exploser une étoile est un événement rare. Et pourtant les premières traces d’observation sont anciennes et commencent en Chine, il y a plus d’un millénaire. Découvrez l’histoire de ces premières observations. Une plongée passionnante vers les débuts de l’Univers. © CEA

Svom a commencé sa campagne d’étude scientifique il y a un an, en 2025, et c’est déjà un succès avec plus de 280 GRB détectés dont environ 80 % sont de sursauts gamma longs, les autres étant courts.

Svom ne fait pas que détecter des sursauts gamma, il donne rapidement l’alerte aussi en continu pour que d’autres télescopes dans l’espace et au sol précisent la nature de la source associée à un GRB dans d’autres longueurs d’onde. Il est alors possible également de faire de l’astronomie multimessager avec des sources gravitationnelles lorsqu’elles sont assez proches pour être détectables avec Ligo et Virgo, et pourquoi pas aussi en détectant des neutrinos avec des instruments géants comme IceCube.

En fait, Svom peut même aider à préciser les positions des sources gravitationnelles ou de neutrinos. Rappelons tout de même qu’on ne s’attend pas à des émissions de neutrinos ou d’ondes électromagnétiques quand Virgo et Ligo détectent des collisions de trous noirs.

Andrea Saccardi nous parle de la découverte de GRB 250314A. © CEA

La plus lointaine supernovae détectée !

Svom a notamment à son tableau de chasse, le 14 mars 2025, un sursaut gamma exceptionnel, baptisé GRB 250314A. C’était un sursaut gamma long et sa source a été observée et précisée dans l’infrarouge en utilisant le télescope spatial James-Webb (JWST). La mesure du décalage spectral de la galaxie hôte du GRB a montré qu’il s’est produit environ 730 millions d’années après le Big Bang qui, lui, date d’environ 13,7 milliards d’années.

Le JWST a montré qu’il s’agissait d’une supernovae ayant bien des caractéristiques de celles que l’on observe bien plus tard dans l’histoire du cosmos observable et pas loin de la Voie lactée. Cela suggère que le mécanisme d’effondrement des étoiles massives, il y a 13 milliards d’années, se faisait bien comme nous l’imaginons pour les supernovae plus récentes.

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Surtout, comme Futura l’avait déjà expliqué (voir lien ci-dessus), GRB 250314A est incontestablement le produit de la supernova la plus lointaine jamais détectée. Toutefois, le sursaut gamma le plus lointain identifié à ce jour (la preuve qu’il était le fruit d’une supernova manque), GRB090423, s’est produit 630 millions d’années après le Big Bang.

Svom est une mission spatiale franco-chinoise consacrée à l’étude des sursauts gamma, un phénomène transitoire avec pour signature un flash intense de rayonnement gamma. Ces phénomènes sont les plus lumineux jamais observés depuis le Big Bang. Svom sera lancée en juin 2024 depuis la base de Xichang en Chine. Lors de cet exposé je présenterai les sursauts gamma, la mission Svom, ses enjeux scientifiques et ses premiers résultats. Une conférence donnée dans le cadre des Rencontres du ciel et de l’espace 2024. © Association Française d’Astronomie (AFA)