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Emeric Le Floc'h
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Comment déterminer la distance de galaxies lointaines en utilisant les sursauts gamma?
Grâce à des observations effectuées au Very Large Telescope de l'observatoire européen austral au Chili, une collaboration internationale menée par des astrophysiciens du Service d'Astrophysique du CEA-DAPNIA vient de déterminer la distance cosmologique d'un sursaut gamma, l'un des phénomènes les plus violents de l'Univers. Pour cela, ces chercheurs ont mesuré le décalage vers le rouge de la galaxie dans laquelle avait été observées ces bouffées de rayons de haute énergie.
Ils ont montré que la distance de cet objet, une magnifique galaxie
spirale dévoilée par les images du Telescope Spatial Hubble,
correspondait bien à celle estimée à partir du spectre
X du sursaut lui-même. Ces observations valident une méthode
de détermination des distances des sursauts gamma uniquement basée
sur la lumière issue de ces explosions. La simplicité de
sa mise en oeuvre ouvre des perspectives intéressantes dans la connaisance
de l'histoire de la formation stellaire dans l'Univers.
Au cours des dix dernières années, l'observation
"multi-longueurs d'onde" des galaxies lointaines a profondément bouleversé
nos connaissances sur l'Univers distant. Les
sondages profonds effectués dans l'infrarouge par le satellite
ISO
et dans le domaine submillimétrique par l'instrument SCUBA
ont notamment mis en évidence un grand nombre d'objets caractérisés
par une
intense activité de formation stellaire enfouie dans la poussière,
et donc invisible dans le domaine optique. Il semble ainsi qu'une fraction
importante de la formation d'étoiles dans l'Univers ait été
"cachée", et il apparaît aujourd'hui évident que
les détections obtenues à partir des campagnes d'observations
dans le domaine visible ont été, jusqu'à présent,
fortement biaisées par les phénomènes d'extinction
dus à la poussière.
Afin de s'affranchir de ce problème, plusieurs
équipes se sont récemment intéressées à
une nouvelle approche, reposant sur l'utilisation des sursauts gamma comme
traceurs de formation d'étoiles. Ces phénomènes énergétiques
se révèlent sous la forme d'une brève émission
de rayons gamma extrêmement intenses et détectables à
grande distance, ce qui permet de sonder l'Univers jusqu'à des époques
très reculées dans le passé. Ils sont très
peu affectés par la poussière, et s'accompagnent d'une émission
transitoire observée sur tout le spectre électro-magnétique
entre le domaine des rayons X et les ondes radio. Cette émission décroît
dans le temps pendant plusieurs mois après l'explosion, jusqu'à
disparaître complètement. On pense que les sursauts gamma
résultent soit de la destruction cataclysmique d'étoiles
géantes en fin de vie, à la manière du phénomène
bien connu de supernova, ou de la fusion de systèmes binaires composés
de trous noirs d'origine stellaire ou d'étoiles à neutrons.
Dans ces deux cas, il semble bien que ces phénomènes soient
liés à la mort d'étoiles massives et donc, de façon
indirecte, à leur formation.
L'utilisation cosmologique des sursauts gamma paraît donc être
une méthode très prometteuse, avec notamment le lancement
de satellites en partie ou totalement consacrés à leur étude
comme INTEGRAL ou
SWIFT.
Des chercheurs ont par ailleurs mis à profit une autre propriété
de ces objets : la partie à basse énergie du spectre des
sursauts semble présenter une raie en absorption dans le domaines
des X. On pense que cette raie est caractéristique du fer présent
dans le coeur de l'étoile progénitrice du sursaut gamma.
La mesure de son décalage vers le rouge permet en principe de déterminer
sa distance et donc celle de sa galaxie-hôte. Cette dernière
méthode, qui dépend uniquement des propriétés
du sursaut, est entièrement indépendante de la magnitude
de la source sous-jacente. Elle permet d'obtenir les distances de galaxies
très lointaines, qui ne sont pas assez lumineuses pour que l'on
puisse obtenir un spectre de leur propre lumière et déterminer
ainsi leur décalage vers le rouge à partir de leurs raies
d'émission.
Ces raies du fer sont couramment observées dans
les phénomènes de hautes énergies. Néanmoins,
la détermination de la nature exacte des transitions observées
reste bien souvent fragile. Il convenait donc de vérifier la validité
de cette interprétation dans le cas des sursauts gamma, en confirmant
un résultat déduit de cette méthode grâce à
une mesure obtenue directement à partir du spectre d'une galaxie-hôte
relativement proche. Une équipe internationale dirigée par
des chercheurs du CEA-DAPNIA a
effectué des observations spectroscopiques de la galaxie-hôte
du sursaut GRB 990705 (*), avec l'instrument-spectrographe
FORS
installé sur le VLT. Grâce
à une détection de la raie d'oxygène [OII], ces chercheurs
ont pu confirmer, de manière non ambiguë et plus précise,
la distance qui avait été estimée à partir
d'une absorption transitoire détectée dans les toutes premières
secondes du sursaut. Ils ont ainsi localisé l'objet à une
distance d'environ 20 milliards d'années-lumière (z=0,84),
correspondant à une époque où l'Univers n'avait alors
que la moitié de son âge actuel.
En utilisant la sensibilité et la résolution
spatiale du Telescope spatial Hubble,
l'équipe a également montré que GRB 990705 s'était
produit dans un bras spiral d'une galaxie géante. C'est la première
fois qu'un sursaut gamma est clairement observé en provenance de
cette classe d'objets, tous les autres évènements, jusqu'à
présent, ayant été détectés soit dans
des galaxies naines, soit dans des objets en interaction ou aux morphologies
perturbées. Ces observations renforcent de plus les hypothèses
sur la relation entre ces phénomènes cataclysmiques et la
formation d'étoiles, celle-ci étant en effet fréquemment
observée dans les bras des galaxies spirales.
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