1.3.1
Formation des sursauts gamma
Aujourd’hui, on estime que les sursauts gamma auraient deux origines différentes, expliquant les deux catégories de sursauts longs et courts.
Selon le modèle le plus courant, il est possible d’expliquer la formation des sursauts gamma longs (Woosley 1993) par le principe suivant : lors de l’effondrement d’une étoile massive de 20 à 30 masses solaires, un trou noir va se former et ainsi agglomérer la matière qui l’entoure, formant un disque d’accrétion (voir partie gauche de la figure 1.16). Cette accrétion s’accompagnerait alors de jets de matière, dont la connexion au processus d’accrétion est encore mal comprise, mais qui seraient en partie à l’origine de l’émission prompte et d’une grande partie de la rémanence.
Les sursauts courts seraient issus de la fusion de deux objets compacts tels que des étoiles à neutrons ou une étoile à neutrons et un trou noir, comme décrit par exemple, par
Perna & Belczynski(2002). Dans le cas de la fusion de deux objets compacts, représentée sur la partie droite de la figure1.16, on s’attend à ce que des processus similaires (accrétion et jets) aient lieu mais, le sursaut résultant serait bien plus court car il y a moins de matière à accréter que dans le cas de l’effondrement d’une étoile massive. Il a été prédit (Cornish & Littenberg 2015; Mroué et al. 2013) et observé (Abbott et al. 2016b) que ces systèmes sont des sources d’ondes gravitationnelles, phénomènes auxquels nous nous intéresseront dans le chapitre 8de ce manuscrit.
Figure 1.16 – Représentation d’artiste de sursauts gamma formés par une étoile massive (à gauche) et par la fusion de deux étoiles à neutrons (à droite) (Crédits : NASA).
1.3.2
Propriétés physiques des sursauts gamma
1.3.2.1 Modèle des chocs internes / externes
Un modèle des chocs internes et externes au sein des jets de matière a été établi (Mészáros et al. 1999), permettant d’interpréter les émissions observées, issues de ces jets de matière.
En ce qui concerne l’émission prompte, la physique du phénomène reste la même dans le cas de l’effondrement d’une étoile massive ou de la fusion de deux objets compacts (Piran 1999). Ces deux phénomènes engendrent un trou noir et émettent des photons d’une énergie extrême de l’ordre de 1051 erg. Comme illustré sur la figure 1.17, lors de l’effondrement d’une étoile massive ou de la coalescence d’objets compacts, la matière est éjectée à des vitesses relativistes. Différentes couches composent ces jets et sont émises à des vitesses différentes provoquant ainsi des chocs dits "internes" lorsque ces couches entrent en contact. Au moment où les chocs se produisent, des particules sont accélérées et émettent principalement un rayonnement synchrotron (Piran et al. 1998). C’est ainsi que l’émission prompte du sursaut gamma est créée. Les facteurs de Lorentz à l’intérieur de ces jets ont des valeurs extrêmes, supérieures à 100, impliquant au moteur central la production d’une quantité d’énergie élevée. Des interactions entre ces couches et le milieu environnant surviennent également par la suite, produisant ainsi des émissions de photons de plus faible énergie dans les longueurs d’onde des rayons X, du domaine visible et du domaine radio. Ils sont appelés "chocs externes" et forment les rémanences plus longues des sursauts gamma.
Figure 1.17 – Représentation schématique de la formation d’un sursaut gamma (Crédits NASA).
Pour plus d’informations les concernant, le lecteur peut se référer, par exemple, au livre "Gamma-Ray Burst, The brightest explosions of the Universe" Vedrenne & Atteia
(2009) ou à Kumar & Zhang (2014).
Les sursauts gamma recèlent encore, à ce jour, de nombreux mystères. Les compo- sants exacts du jet, son énergie magnétique ou l’association potentielle avec les rayons cosmiques de haute énergie sont des phénomènes peu connus. Ils sont encore très étudiés et pourraient aider à la compréhension des mécanismes physiques des trous noirs et égale- ment de ceux liés à la création d’ondes gravitationnelles. Par ailleurs, les sursauts gamma sont émis à des distances extrêmes, ils peuvent donc servir de sondes pour comprendre notre Univers à des temps reculés grâce à la compréhension fine de leurs progéniteurs, mais aussi les propriétés de leur galaxie hôte.
La mission SVOM, décrite dans le chapitre suivant, a pour objectif de nous aider à en apprendre davantage sur ces événements cosmiques en étudiant précisément les émissions promptes et rémanences des sursauts gamma. SVOM a pour but d’un côté d’augmenter l’échantillon de sursauts gamma à grand redshift et, de l’autre, de participer à l’essor de l’astrophysique multi-messager (ondes électromagnétiques et gravitationnelles) qui est en relation étroite avec la physique des sursauts gamma.
Chapitre 2
La mission spatiale SVOM
Sommaire
2.1 Objectifs scientifiques . . . . 25 2.2 La mission spatiale SVOM . . . . 26 2.3 Orbite de SVOM et stratégie de pointage . . . . 26 2.4 Les instruments de la mission SVOM . . . . 29
2.4.1 ECLAIRs . . . 29
2.4.2 GRM : Gamma-Ray Monitor . . . 30
2.4.3 VT : Visible Telescope . . . 31
2.4.4 Instruments au sol . . . 32 2.5 SVOM : segment sol. . . . 34 2.6 Séquence d’alerte . . . . 36 2.7 Programme d’observation . . . . 37 2.8 Aspect multi-messager . . . . 38
2.1
Objectifs scientifiques
L’origine et la formation des sursauts gamma sont longtemps restées des énigmes. Encore maintenant, nous ne connaissons pas tous les phénomènes physiques associés à ces explosions cosmiques. C’est pourquoi la mission spatiale SVOM (Space-based multi-band Variable Object Monitor) est mise en place, afin de mieux comprendre les sursauts gamma et d’en faire une étude précise des caractéristiques spectrales, temporelles et en termes de localisation.
En effet, SVOM a pour objectif de détecter tout type de sursauts gamma, longs et courts, et d’en déterminer la position précise sur le ciel, en quelques minutes. Grâce à son caractère multi-longueurs d’onde, il sera possible d’effectuer une caractérisation complète des émissions promptes et rémanentes des sources observées grâce à une distribution des alertes vers les instruments spatiaux et ceux situés au sol, pouvant y réagir et faire le suivi des sources. Ceci permettra une analyse de la forme spectrale ainsi que des pro- priétés temporelles de ces émissions. Un des objectifs principaux de cette future mission est l’étude des sursauts gamma situés à des distances cosmologiques, supérieures à des 25
décalages vers le rouge de 5. Cette valeur correspond environ au premier milliard d’années de l’Univers. Les données de SVOM permettront de caractériser l’évolution cosmologique des progéniteurs ayant induit ces phénomènes.