Mesure de cinq sursauts gamma dans l’espace

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Wojciech Hajdas avec des barres scintillatrices, qui ont aussi été montées sous

Wojciech Hajdas avec des barres scintillatrices, qui ont aussi été montées sous cette forme dans le détecteur POLAR. (Photo: Institut Paul Scherrer/Markus Fischer)

On a réussi pour la première fois à mesurer précisément des sursauts gamma depuis une station spatiale

Un détecteur développé au PSI, baptisé POLAR, a recueilli des données depuis l’espace. En septembre 2016, cet appareil avait été embarqué à bord de la toute nouvelle station spatiale chinoise pour tourner en orbite autour de la Terre. De là, POLAR a enregistré ce qu’on appelle des sursauts gamma. Les sursauts gamma sont des éruptions extrêmement violentes de lumière de haute énergie qui apparaissent au fin fond de l’univers et dont on ne sait pas grand-chose pour l’instant. On ignore entre autres quelle est leur origine; ces violents éclairs lumineux sont probablement émis au moment de la formation de trous noirs. Afin de mieux comprendre les sursauts gamma, POLAR a mesuré une propriété bien particulière de leur lumière, appelée polarisation. Les chercheurs ont réussi à enregistrer plusieurs dizaines de sursauts gamma et en ont analysé cinq de manière précise. Il s’est avéré que leur lumière avait un degré de polarisation bas. Par conséquent, les théories sur les sursauts gamma qui postulent un haut degré de polarisation sont maintenant considérées comme moins probables. POLAR a été réalisé avec des chercheurs de l’Université de Genève ainsi que des scientifiques en Chine et en Pologne. Les chercheurs viennent de publier leur analyse des cinq sursauts gamma dans la revue spécialisée Nature Astronomy.

Leurs brèves lueurs extrêmement brillantes venues du fin fond de l’espace apparaissent de manière récurrente: environ une fois par jour, des chercheurs observent ce qu’on appelle des sursauts de rayons gamma (ou sursauts gamma). Comme leur nom l’indique, les sursauts gamma émettent de la lumière dans le domaine des rayons gamma de haute énergie. En quelques secondes, ils dégagent davantage d’énergie que le soleil en plusieurs milliards d’années. Mais pour l’instant, on ne sait pas encore grand-chose sur leur origine.

Afin d’avancer sur cette question, une équipe internationale de recherche vient de mesurer une propriété bien particulière de ces éclairs lumineux: leur degré de polarisation. La lumière se propage sous forme d’ondes lumineuses; le degré de polarisation indique quelle est la direction d’oscillation de ces ondes à partir de leur source. Si elles vibrent parallèlement les unes aux autres, le degré de polarisation est haut. Si elles vibrent dans toutes les directions et se croisent, le degré de polarisation est bas.

Les résultats que les chercheurs publient à présent montrent que le degré de polarisation des sursauts gamma est relativement bas. Certaines de leurs observations indiquent par ailleurs qu’il se produit une modification de l’angle de polarisation - c’est-à-dire de l’orientation de cette faible polarisation - pendant la durée de chaque sursaut gamma.

Faire le tri parmi les théories sur les sursauts gamma

Les différentes théories proposées jusqu’ici pour expliquer l’apparition des sursauts gamma prédisent différents degrés de polarisation. Les hypothèses discutées concernant leur origine sont l’effondrement d’une étoile massive donnant lieu à la formation d’un trou noir, la fusion de deux étoiles à neutrons, un type particulier de supernova et une série de processus similaires en termes de haute énergie et de massivité. Nos données vont permettre d’exclure certaines de ces théories sur les mécanismes d’origine, relève Wojciech Hajdas de l’Institut Paul Scherrer PSI. Ce chercheur a contribué de manière essentielle au développement de l’instrument POLAR qui a fourni les nouvelles données de mesure.

POLAR est un détecteur ultramoderne, que des chercheurs du PSI emmenés par Wojciech Hajdas ont développé avec des scientifiques de l’Université de Genève et de l’Institut chinois de physique des hautes énergies (Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, IHEP-CAS). En septembre 2016, l’appareil a été acheminé à bord de la toute nouvelle station spatiale chinoise Tiangong 2 pour tourner en orbite autour de la Terre. De là, POLAR a recueilli des données: la lumière des sursauts gamma a été captée au moyen de 1600 barres de plastique spécial, puis transmise et analysée. Le vol dans l’espace était décisif pour le projet, car sur Terre, l’atmosphère de notre planète empêche de mesurer précisément le degré de polarisation.

Aussi bien le concept du système de détecteurs de POLAR que l’électronique ont été largement développés au PSI. Les modules de lecture du signal et l’ordinateur central de POLAR ont été ensuite fabriqués et testés au PSI. Les chercheurs ont par ailleurs développé leur propre logiciel pour le traitement des données. Pour calibrer POLAR avant son utilisation, les scientifiques ont utilisé les rayons X de la Source de Lumière Suisse SLS au PSI et de l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) à Grenoble. L’entreprise zurichoise Art of Technology a réalisé les bocs d’alimentation de POLAR. C’est à l’Université de Genève que les barres de plastique, la mécanique et le boîtier ont été construits et que les composants de POLAR ont été assemblés.

La plateforme virtuelle PSI POLAR Data Center

En tout, POLAR a réussi à enregistrer plusieurs dizaines d’événements, parmi lesquels l’équipe internationale de recherche vient d’analyser les cinq sursauts gamma les plus significatifs. Les chercheurs du PSI mettent par ailleurs les données de tous les événements enregistrés à disposition de la communauté scientifique sur la plateforme virtuelle PSI POLAR Data Center. Comme nombre des sursauts gamma mesurés par POLAR ont été également observés par d’autres détecteurs dans le monde, la plateforme permet entre autres aux chercheurs de recouper leurs ensembles de données respectifs.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann