vignette|Sursaut gamma (vue d'artiste).
Un sursaut gamma ou sursaut de rayons gamma (SRG. ; en anglais gamma-ray bursts, abrégé en GRB ; quelquefois traduit par « explosion de rayons gamma »L'Astronomie , juin 2013.) est en astronomie une bouffée de photons gamma qui apparaît de manière aléatoire dans le ciel. Il est caractérisé par sa brièveté (de quelques secondes à quelques minutes) et par la forme particulière de la courbe de lumière. Il est prolongé par des émissions rémanentes appelées "afterglow", à des longueurs d'onde plus grandes, qui peuvent durer jusqu'à plusieurs mois en s'affaiblissant progressivement.
Ce phénomène déclenche l'émission d'un faisceau étroit et symétrique de matière atteignant des vitesses relativistes. Les sursauts gamma, observés au rythme moyen d'un par jour, ont leurs sources dans d'autres galaxies que la nôtre, et semblent représenter les événements les plus lumineux de l'Univers, après le Big Bang. Ils ont été découverts accidentellement en 1967 et ne commencent à être expliqués qu'au milieu des années 1990. En , le nombre de sursauts détectés depuis 1967 dépasse ..
La théorie dominante est que le sursaut gamma est dû soit à des supernovas/hypernovas : effondrement gravitationnel d'une étoile géante, aboutissant à la formation d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons (sursauts longs), soit à des kilonovas : fusion de deux étoiles à neutrons formant initialement un système binaire (sursauts courts). Le sursaut questionne cependant la théorie car il a été de longue durée mais a présenté le spectre électromagnétique d'un sursaut court.
Historique vignette|Satellites Vela 5A et B lancés en 1969. Les manifestations des sursauts gamma, un rayonnement électromagnétique gamma à la fois puissant et bref, apparaissant pour nous sur la voute céleste de manière totalement aléatoire, sont découvertes en 1967 par les premiers satellites artificiels équipés de détecteurs gamma. En raison de la brièveté du rayonnement gamma, et des capacités réduites des détecteurs gamma de l'époque, l'origine du phénomène reste longtemps l'objet de spéculations. Ce n'est qu'au milieu des années 1990, grâce aux instruments des observatoires spatiaux CGRO et Beppo-SAX, que leur origine est localisée à l'extérieur de la Voie lactée, et que le sursaut gamma peut être associé dans la majorité des cas à la mort de certaines étoiles géantes, lors de leur transformation en hypernova.
Découverte des sursauts gamma par les satellites Vela (1967-1973)
Les sursauts gamma sont découverts accidentellement en par deux satellites américains Vela chargés de contrôler l’application du traité portant sur l’interdiction des tests atomiques atmosphériques en détectant d'éventuelles explosions atomiques.. Pour identifier celles-ci, ces satellites disposent de détecteurs de rayons X et de rayons gamma. Les exemplaires de la première version, , de cette famille de satellites sont lancés en 1963, mais ils disposent d'une instrumentation peu sensible. Un des problèmes rencontrés par les concepteurs de ces engins est que les détecteurs pouvaient réagir à des particules issues de sources déjà connues (rayonnement cosmique émis par le Soleil, rayonnement émis par une supernova). En , un signal de quelques secondes présentant un double pic atypique est perçu simultanément par les détecteurs de deux satellites . Les ingénieurs du Laboratoire national de Los Alamos dirigés par , qui analysent les données fournies par les satellites Vela, recherchent une explication, mais aucune tempête solaire ni supernova n'est en cours à cette date. L'équipe du laboratoire a conscience qu'il s'agit d'un phénomène inexplicable, mais, dans la mesure où les détecteurs ne fournissent ni la localisation de la source, ni la distance de celle-ci, ils reportent une analyse plus poussée à la mise en service de détecteurs de meilleure qualité embarqués sur les générations suivantes des satellites Vela. Celles-ci sont déployées en orbite entre 1969 () et 1970 (). Après un délai dû à une mise au point de ces nouveaux engins spatiaux plus complexe que prévu, les données fournies par les nouveaux détecteurs sont dépouillées. En comparant l'heure précise de détection des sursauts gamma par les différents satellites, les ingénieurs parviennent par triangulation à identifier et situer de manière assez précise la source de gamma présentant les mêmes caractéristiques atypiques (brièveté, intensité et courbe de lumière), ce qui leur permet d'éliminer les sources de rayonnement connues à cette époque (Supernova, Terre, Lune, Soleil).. Les données, qui étaient couvertes par le secret militaire du fait de la nature du programme Vela, sont déclassifiées en 1973 et la découverte des signaux mystérieux est rendue publique dans un article rédigé par l'équipe de Los Alamos et publié dans le journal Astrophysical Journal. Le nouveau phénomène est baptisé sursaut gamma ou GRB (« »)..
Création de l'Interplanetary Network (1978) vignette|Le premier réseau (IPN) mis en place à compter de 1978 comprend des détecteurs installés sur plusieurs engins spatiaux choisis parce que la distance entre eux rend un repérage des sursauts gamma par triangulation efficace.|alt=Schéma montrant les trajectoires des engins spatiaux du premier réseau IPN.
Jusqu'en 1991, très peu de progrès dans l'explication du phénomène sont réalisés, car l'observation des rayons gamma d'origine galactique ou extragalactique présente de nombreuses difficultés. Une observation précise depuis la Terre n'est pas possible car les photons gamma interagissent avec les atomes de l'atmosphère terrestre et se transforment en produisant des cascades électromagnétiques. L'observation depuis l'espace se heurte au très grand pouvoir de pénétration dans la matière des photons gamma très énergétiques, ce qui empêche leur détection à l'aide d'instruments optiques conventionnels.. Les détecteurs de rayons gamma disponibles à l'époque sont rudimentaires. Or le positionnement précis de la source dans le ciel est crucial pour pouvoir lui associer un objet céleste (étoile, galaxie) observable, par exemple, en lumière visible ou dans le rayonnement X, ce qui permettrait d'expliquer et d'étudier ce phénomène. Par ailleurs, compte tenu de la durée très brève du rayonnement gamma (quelques minutes au plus), la rapidité des recherches avec une instrumentation classique est sans doute essentielle pour découvrir sa source
Faute de disposer de détecteurs capables de fournir la position précise des sursauts gamma, la communauté astronomique met en place en 1978 le Réseau Interplanétaire chargé de centraliser les données collectées par les engins spatiaux équipés de détecteurs de rayons gamma et X durs. L'enregistrement de l'heure précise d'arrivée du rayonnement gamma au niveau de chaque instrument permet par triangulation de déterminer la position de la source à quelques minutes d'arc près. La précision est d'autant meilleure que les engins sont distants les uns des autres, aussi les sondes spatiales explorant le système solaire sont particulièrement impliquées. Les premières missions de l'IPN sont la sonde solaire , les missions vénusiennes Pioneer Venus Orbiter, et , et deux engins orbitant autour de la Terre et ISEE-3... L'IPN permet d'identifier de nombreuses sources de sursauts gamma dont la position dans le ciel ne correspond à aucun phénomène astronomique identifié.
Les 5 et , deux sursauts gamma sont détectés par les instruments de et 12, puis, plus tard, par celui de , et dans les secondes suivantes, par Pioneer Venus Orbiter, et enfin, par les satellites terrestres Vela, Prognoz et HEAO-2. La comparaison de l'heure d'arrivée des signaux permet de localiser leur source dans la constellation de la Dorade.. Les signaux mesurés ne présentent pas les caractéristiques habituelles des sursauts gamma. La position de la source SGR 0525-66 coïncide avec le rémanent de la supernova N49 situé dans le Grand Nuage de Magellan. L’interprétation de cette découverte va être le sujet d'une controverse qui durera une dizaine d'années. Pour les uns, le rémanent ne peut être la source du rayonnement car cet objet est situé dans une autre galaxie et la production du signal nécessiterait une quantité d'énergie trop élevée. D'autres soulignent que le signal présente des caractéristiques inhabituelles pour un sursaut gamma, ce qui sera confirmé par la suite avec l'identification d'un nouveau type de phénomène, le sursauteur gamma mou, dont SGR 0525-66 est le premier exemplaire découvert.
CGRO (1991) : l'origine extragalactique des sursauts gamma vignette|Courbes de lumière du rayonnement gamma de plusieurs sursauts gamma fournis par l'instrument BATSE : la forme des signaux varie fortement.
Jusqu’à la fin des années 1980, les données dont disposent les astronomes sur les sursauts gamma sont réduites : ceux-ci sont imprévisibles, leur éclat est très variable et leur spectre est non thermique. La NASA lance en 1991 un observatoire spatial de grande taille (il s'agit d'un de ses quatre « grands observatoires ») consacré à l'étude du rayonnement gamma. CGRO dispose de quatre instruments couvrant un spectre d'énergie très étendu, allant de à . L'instrument BATSE permet de réaliser une carte de la distribution de sursauts gamma dans le ciel (carte ci-dessous), ainsi qu'une étude statistique sur la durée des émissions gamma et les longueurs d’onde des pics d’énergies de leurs courbes de lumière. Ces données permettent deux avancées majeures. D'une part, elles permettent une première classification des sursauts gamma qui se répartissent en deux groupes distincts. La classification proposée se base sur la durée de l’événement et ses propriétés spectrales : les sursauts courts (dont le maximum d'émission est à très haute énergie) et les sursauts longs (qui ont un maximum spectral à plus basse énergie, typiquement vers ). Si la durée des premiers ne dépasse pas deux secondes (elle est plus typiquement de l’ordre de quelques dixièmes de secondes), les seconds peuvent être observés dans le ciel pendant quelques secondes, voire quelques minutes. Les plus longs ne sont cependant observables que pendant une vingtaine de minutes, ce qui explique la grande difficulté de leur localisation précise. La deuxième découverte, la plus importante, est que les sources se répartissent de façon isotrope sur la sphère céleste. Ce constat semble exclure que les sources des sursauts gamma se situent dans notre Galaxie, car, si c'était le cas, on devrait avoir une concentration dans la direction du plan galactique, et même du centre galactique, étant donné la position excentrée du Système solaire. Mais l'origine extragalactique, forcément beaucoup plus lointaine, est contestée, car elle impliquerait que le sursaut gamma soit associé à une explosion énergétique gigantesque qu'aucun processus astronomique ne peut expliquer..
Ces données contradictoires divisent la communauté astronomique. La controverse se cristallise dans le débat qui oppose, en 1995, Bohdan Paczyński partisan d'une origine extragalactique et Donald Q. Lamb, qui considère que le phénomène est généré par des étoiles à neutrons situées à la périphérie de notre Galaxie. Selon Lamb et les partisans de cette théorie, le caractère isotropique des sursauts gamma serait expliqué par la présence d'étoiles à neutrons dans le halo galactique de la Voie lactée qui, grâce à leur vitesse, se sont échappées du disque de notre Galaxie. Pour permettre de trancher, il faudrait disposer d'instruments capables de mesurer la distance..
BeppoSAX (1996) : découverte des contreparties X et optique, mesure des distances, hypothèses sur l'origine du phénomène
vignette|L'observatoire Beppo-SAX (vue d'artiste).