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Service d'astrophysique
Laboratoire AIM

 
Les sursauts gamma
INTEGRAL traque les explosions d'étoiles

INTEGRAL

Dans la soirée du 25 novembre 2002, soit seulement un mois après le lancement du satellite INTEGRAL, les scientifiques présents au centre de la mission à Darmstdadt en Allemagne observent une brusque montée du taux de comptage de la caméra ISGRI équipant le télescope imageur IBIS, un de deux principaux instruments de l'observatoire INTEGRAL. Le sursaut gamma GRB021125 [1] vient d'être détecté. Cette découverte inaugure pour INTEGRAL une longue réussite dans l'observation de ces violentes explosions d'étoiles. Bien que l'étude de ces sources célestes n'ait pas été inscrite comme un objectif scientifique prioritaire de la mission, le satellite INTEGRAL montre néanmoins toutes ses capacités à les étudier.

 

Un sursaut détecté pendant la phase d'étalonnage

Lors des phases d'étalonnages des différents télescopes constituant l'observatoire INTEGRAL, la nébuleuse du Crabe (Messier 1) a été l'objet de plusieurs séances d'observations. Cette source sert en effet de référence dans le domaine de l'astronomie gamma. Le 27 février 2003 au matin, une source apparaît subitement dans le champ de vue du télescope IBIS. Le logiciel automatique permet alors de délivrer rapidement à la communauté scientifique les coordonnées de ce nouveau sursaut, dénommé GRB030227. Ceci est essentiel si l'on veut étudier cet objet dans d'autres domaines de longueurs d'onde avant qu'il ne devienne trop faible, le but ultime étant l'identification très rapide de la galaxie abritant le sursaut pour estimer sa distance. Dans de nombreux cas néanmoins, la luminosité des galaxies hôtes est très souvent à la limite des moyens de détection actuels et ne permet pas toujours cette mesure.

GRB 030227 GRB 030227

L'observation du sursaut GRB030227 : 27 février 2003, 8h41 Temps Universel: Le satellite INTEGRAL est pointé dans la direction de la nébuleuse du Crabe en vue de vérifier le bon fonctionnement des instruments embarqués. La Nébuleuse est clairement détectée sur cette pose de 30 secondes de la caméra ISGRI (figure de gauche). 8h42: une source aussi brillante que la nébuleuse apparait soudainement dans le champ de vue de l'instrument. Un sursaut gamma est très brièvement détecté (image de droite). Il ne sera visible que 20 secondes !! (cliquer sur l'image pour agrandir). Crédits CEA/SAp

 
sursaut gamma GRB030227

L'identification du sursaut :Huit heures après la première détection, l'observatoire à rayons X de l'ESA XMM-Newton pointe dans la direction, maintenant plus précise, fournie par INTEGRAL. L'observation et la détection par XMM permet d'améliorer considérablement la position du sursaut déclenchant alors la traque à l'aide des télescopes optiques, qui eux nécessitent des précisions de localisation bien meilleures. Les différentes étapes de cette progression en précision sont schématiquement décrite sur la figure ci-contre. D'une précision de localisation de quelques minutes d'arc, la position du sursaut est finalement obtenue à quelques secondes d'arc (cliquer sur la figure pour agrandir)

 

La répartition d'énergie d'un sursaut 

Les capacités d'imagerie du télescope IBIS permettent une localisation rapide et précise du sursaut gamma. Une information scientifique de première importance réside également dans la mesure de la répartition de l'énergie émise par le sursaut. La très grande sensibilité du spectromètre SPI permet une telle mesure, bien que le phénomène observé soit bref, ne durant que quelques secondes. En général, en astronomie gamma, les temps d'exposition se comptent en plusieurs milliers ou dizaines de milliers de secondes. 

 
Sursaut GRB030501 Spectre GRB030501

Le 1 mai 2003, le sursaut gamma GRB030501 était détecté dans les champs de vue des télescopes IBIS et SPI. L'excellente complémentarité des deux instruments principaux du satellite INTEGRAL est illustrée ici  par les courbes de lumière obtenues par la caméra ISGRI  (à gauche) et par le spectre simultané extrait des données fournies par le spectromètre SPI (à droite). Cliquer sur les images pour agrandir.(Crédit Beckmann)

 

Le satellite INTEGRAL qui doit rester en orbite plusieurs années est actuellement un des meilleurs détecteurs de sursauts gamma. Le télescope IBIS est en mesure de fournir, en moins de vingt secondes, la position sur le voûte céleste, avec une précision de quelques minutes d'angle de tout sursaut survenant dans son très large champ de vue. Le spectromètre SPI peut de plus déterminer la répartition d'énergie de ces sursauts, une information cruciale pour ces phénomènes. Les meilleures estimations prévoyaient l'apparition dans le champ de vue d'INTEGRAL d'environ un sursaut par mois. Ce chiffre a été vérifié au moins jusqu'au mois de mai 2003 puisque six sursauts ont pu être détectés depuis le lancement en décembre 2002. Depuis, le rythme semble diminuer mais les procédures automatiques de détection et d'alerte ne sont pas mises en cause. Elles fournissent automatiquement sur le réseau Internet à la communauté internationale les coordonnées de tout nouvel évènement en quelques secondes.

 

Notes
[1] Les sursauts gamma, de brèves et intenses émissions de photons gamma provenant soudainement d'une région du ciel, constituent depuis leur découverte à la fin des années 60 une énigme. Quel est leur origine?  A-t-on affaire à une population d'objets proches, situés dans notre Galaxie ou leur apparition signe-t-elle l'existence de fantastiques évènements cosmiques situés à des distances très lointaines? Quel est le mécanisme physique responsable d'une telle émission, mettant en jeu des énergies considérables? Les dernières mesures ont montré que les sursauts gamma étaient situés à des distances lointaines dites "cosmologiques", faisant d'eux les évènements explosifs les plus énergétiques de l'Univers. Le mécanisme physique le plus couramment admis aujourd'hui fait appel à la mort d'une étoile massive: l'effondrement du coeur de l'étoile provoque des éjections de matière à des vitesses considérables, proches de la vitesse de la lumière. Les chocs induits au sein des éjections ou par leur rencontre avec le milieu interstellaire provoquent une intense émission de haute énergie. L'étude de ces objets énigmatiques est devenue une priorité dans la communauté scientifique.
Chaque sursaut est baptisé selon sa date d'apparition, GRB021125 est le sursaut apparu le 25 novembre 2002.

[2] INTEGRAL et les sursauts gamma. et l'étude des sursauts gamma posent de sérieux problèmes pour l'observation. Leur caractère imprévisible et la brièveté de l'émission nécessite une localisation précise sur la voûte céleste en un temps record de quelques dizaines de secondes. L'observatoire INTEGRAL, grâce aux caractéristiques de ses instruments embarqués a prouvé être à même de relever ce défi, qui ne constituait pas au départ une thématique scientifique prioritaire. Il dispose en effet d'un très grand champ de vue (19°x19°), d'une excellente sensibilité de détection et d'une aptitude à mesurer sur le ciel la position du sursaut avec une remarquable précision (10 minutes d'arc). Il est ainsi à même de fournir rapidement à la communauté scientifique les éléments nécessaires pour l'exploration de ces objets dans d'autres domaines de longueurs. Ces observations complémentaires sont indispensables pour  la compréhension des phénomènes physiques responsables du sursaut gamma.

voir aussi       Dossier de presse du CEA "Dernières Nouvelles du Cosmos" (fichier pdf, 240Ko)
                     "Les sursauts gamma: un formidable outil pour la cosmologie" (4 décembre 2002)

 

Publications :

"GRB021125: the first GRB imaged by INTEGRAL",
G. Malaguti, A. Bazzano, V. Beckmann, A.J. Bird, M. Del Santo, G. Di Cocco, L. Foschini, P. Goldoni, D. Gotz, S. Mereghetti, A. Paizis, A. Segreto, G. Skinner, P. Ubertini, A. von Kienlin, 2003, numéro spécial Astronomy and Astrophysics, (astro-ph/0307523)

"INTEGRAL and XMM-Newton observations of the weak GRB 030227",
S.Mereghetti, D.Gotz, A.Tiengo, V. Beckmann, J. Borkowski, T.J.-L. Courvoisier, A. von Kienlin, V. Schoenfelder, J.P. Roques, L. Bouchet, P. Ubertini, A. Castro-Tirado, F. Lebrun, J. Paul, N. Lund, M. Mas Hesse, W. Hermsen, P. den Hartog, C. Winkler, 2003, Astrophysical Journal Letters, (astro-ph/0304477)

"Time resolved spectroscopy of GRB030501 using INTEGRAL",
V. Beckmann et al, 2003, numéro spécial Astronomy and Astrophysics, (astro-ph/0307070)

               


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maj : 01-11-2003 (1270)