Swift ( en anglais) est un télescope spatial multi spectral (rayons X durs et mous, ultraviolet, lumière visible) développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, avec des contributions importantes de l'Italie et du Royaume-Uni. Lancé en 2004 par un lanceur Delta 2, Swift a pour objectif d'identifier, localiser et observer les sursauts gamma. Cette mission du programme Explorer est pilotée par le Centre de vol spatial Goddard et son coût est d'environ de dollars américains. L'université d'État de Pennsylvanie joue un rôle central dans la réalisation de l'instrumentation scientifique et héberge le centre de contrôle de mission du télescope spatial. La mission d'une durée initiale de deux ans a été prolongée à plusieurs reprises et Swift était toujours pleinement opérationnel début 2026. Toutefois la dégradation rapide de l'orbite liée à une importante activité solaire menace à court terme sa survie. Aussi la NASA a financé une opération de sauvetage qui doit relever l'altitude de l'observatoire spatial et qui est prévue durant l'été 2026.

Les sursauts gamma sont le phénomène astronomique le plus violent de notre Univers. Ils se caractérisent par une émission de rayons gamma qui ne dure que quelques millisecondes à quelques minutes. Du fait de cette brièveté et bien que la découverte de ce phénomène remonte à 1967, les astronomes ne disposent à l'époque du lancement de Swift que de peu d'informations sur l'origine et les caractéristiques des sursauts gamma. Les problèmes techniques soulevés de manière générale par l'observation du rayonnement gamma ne permettent qu'une localisation grossière d'un sursaut gamma. Toutefois, en 1997, le télescope BeppoSAX découvre que le sursaut gamma est suivi par des émissions de rayons X et dans le domaine visible qui persistent durant plusieurs heures voire plusieurs jours. L'observatoire spatial Swift est conçu pour exploiter cette caractéristique grâce aux trois instruments dont il dispose. Son télescope gamma BAT observe en permanence une fraction étendue du ciel pour détecter les sursauts gamma. Les données collectées sont analysées en temps réel par un logiciel embarqué paramétrable qui, dès qu'il identifie la signature caractéristique d'un sursaut gamma, transmet sa position à la fois aux deux autres instruments et aux contrôleurs au sol via le réseau de satellites de télécommunications géostationnaires TDRSS de la NASA. Le satellite, conçu pour pivoter rapidement, pointe un télescope rayons X XRT et un télescope optique (lumière visible/ultraviolet) UVOT co-alignés vers la région où le sursaut est apparu et qui sont capables de fournir une position beaucoup plus précise que l'observatoire gamma. Celle-ci est communiquée 90 secondes après la détection aux instruments terrestres ou spatiaux disposant d'optiques plus puissantes.

Swift observe plus de gamma depuis son lancement (situation à fin 2015). Il permet de déterminer la contrepartie visuelle de nombreuses sources situées dans des galaxies lointaines et de confirmer que la plupart des sursauts gamma sont associés, soit à l'effondrement d'une étoile géante aboutissant à la formation d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons (sursauts longs), soit à la fusion de deux étoiles à neutrons binaires (sursauts courts). Il constitue l'observatoire le plus performant dans le recensement des phénomènes astronomiques transitoires et des sources astronomiques de rayons X durs.

Contexte

La mission Swift a pour objectif l'étude des sursauts gamma. Ce phénomène astronomique, le plus violent de notre Univers, est découvert en 1967. Il ne peut être observé que depuis l'espace et sa brièveté ainsi que la nature du rayonnement gamma soulèvent pour son observation des problèmes techniques qui n'ont pu être résolus que progressivement. Les explications de ce phénomène n'ont commencé à émerger qu'après plusieurs décennies et le lancement de plusieurs missions spatiales dont Swift constitue le couronnement.

Sursaut gamma

alt=Vue d'artiste d'un sursaut gamma.|vignette|Le sursaut gamma se traduit par la brève émission de deux faisceaux d'ondes étroits opposés dont l'un des deux peut être visible depuis la Terre s'il est dirigé vers celle-ci (vue d'artiste).

Un sursaut gamma se caractérise par un bombardement brutal mais bref de la Terre par des rayons gamma (quelques photons par cm et par seconde dans le spectre énergétique ) en provenance d'une source ponctuelle. La durée est courte : de quelques millisecondes à quelques dizaines de minutes. Ce phénomène, d'origine extra-galactique (sa source se situe en dehors de notre galaxie), est la manifestation de l'événement astronomique dégageant la plus forte énergie de l'Univers : en quelques secondes le sursaut gamma libère dans un faisceau étroit plus d'énergie que celle produite par notre Soleil durant toute sa vie dans la séquence principale ( d'années). L'émission de rayons gamma est suivie d'émissions moins énergétiques (, ultraviolet, lumière visible, infrarouge, micro-ondes et ondes radio) et de plus longue durée (quelques heures à quelques jours). Les sursauts gamma sont rangés dans deux catégories en fonction de leur durée : les sursauts courts dont le rayonnement est perceptible et les sursauts longs majoritaires d'une durée moyenne de . Les sursauts gamma sont détectés avec une fréquence moyenne d'un par jour par l'observatoire Compton Gamma-Ray ObservatoryCGRO a détecté gamma en avec son instrument BATSE. Celui-ci permet de scruter l'ensemble de la voute céleste mais le satellite circulant sur une orbite basse il ne détecte qu'à peu près la moitié des sursauts (ceux-ci sont brefs donc ne seront plus visibles lorsque la Terre ne s'interposera plus). et leurs sources sont réparties dans le ciel de manière uniforme..

L'explication la plus courante des sursauts gamma longs est que ceux-ci sont le sous-produit d'une hypernova d'un type particulier : les collapsars. L'hypernova est l'explosion d'une étoile géante (20 à 30 fois la masse de notre Soleil) en fin de vie qui résulte de son effondrement gravitationnel et aboutit à la formation soit d'une étoile à neutrons soit d'un trou noir. La matière située à la périphérie du cœur de l'étoile est attirée par la région centrale plus dense et génère un disque d'accrétion avec des vitesses de rotation fortement différenciées selon la distance au centre de rotation. Cette rotation engendre un champ magnétique. Il existe plusieurs types d'hypernova selon les caractéristiques de l'étoile. Si l'étoile est extrêmement massive, d'une métallicité faible et que sa vitesse de rotation initiale est élevée (cas du collapsar), la torsion des lignes du champ magnétique générée par le différentiel de vitesses au sein du disque d'accrétion produit deux jets de matière étroits et symétriques dont la direction se confond avec l'axe de rotation. Le jet est émis à des vitesses proches de celle de la lumière dans le vide (vitesse relativiste) et est donc soumis à des phénomènes relativistes. Le processus précis à l'origine du rayonnement gamma observé dans un sursaut gamma reste controversé. Selon le modèle le plus courant, dit de la , la vitesse, la pression, la température et la densité au sein de la matière éjectée ne sont pas homogènes. Lorsqu'une couche de matière en rattrape une autre, le choc produit des photons gamma. Ce phénomène est bref car la matière expulsée se heurte par la suite au milieu interstellaire en produisant un rayonnement moins énergétique (rayons X, visible, ultraviolet...) sur une durée plus longue..

+Synthèse des découvertes antérieures au début de la mission Swift.Juillet 1967 Découverte accidentelle par deux satellites d'alerte précoce américains Vela d'émissions gamma puissantes, brèves et ponctuelles. Leur source est inconnue.Vers 1970 Les ingénieurs du laboratoire national de Los Alamos tentent d'identifier l'origine du phénomène mais les sources astronomiques potentielles de rayons gamma connues (Soleil, supernova...) sont mises hors de cause.1973 Le phénomène couvert jusque-là par le secret militaire est déclassifié. Il est baptisé « Gamma Ray Burst » (sursaut gamma).1991-1996 L'observatoire spatial Compton Gamma-Ray Observatory de la NASA est lancé en 1991. Les données collectées démontrent que les sources des sursauts gamma sont distribuées de manière uniforme dans le ciel ce qui indique une origine extra-galactique. Le satellite détecte environ un sursaut gamma par jour. Il identifie deux familles de sursauts gamma caractérisés par une durée courte (en moyenne 0,3 seconde) et longue (en moyenne 30 secondes)1997 Mise en orbite du télescope spatial BeppoSAX de l'agence spatiale italienne Celui-ci découvre une émission rémanente associée aux sursauts longs dans le rayonnement X qui dure plusieurs heures, voire plusieurs jours.Cette découverte permet d'évaluer l'éloignement du phénomène par mesure du décalage vers le rouge de la contrepartie optique.Le sursaut gamma le plus lointain se trouve à plusieurs milliards d'années-lumière (décalage vers le rouge de 4,5).Les implications concernant la quantité d'énergie libérée permettent d'estimer que le sursaut ne peut qu'être lié à l'effondrement d'une étoile géante aboutissant à la formation d'un trou noir.

Historique des observations des sursauts gamma antérieures à la mission vignette|alt=Satellites Vela 5A et B lancés en 1969.|Satellites Vela 5A et 5B lancés en 1969.

Découverte des sursauts gamma (1967) Les sursauts gamma sont découverts accidentellement en par deux satellites d'alerte précoce américains Vela. Ceux-ci sont chargés de contrôler l'application du traité d'interdiction des essais nucléaires atmosphériques et disposent d'instruments gamma permettant de détecter d'éventuelles explosions atomiques clandestines. Le signal reçu est inexpliqué mais les instruments embarqués, peu précis, ne permettent pas aux ingénieurs du laboratoire national de Los Alamos responsables de la constellation Vela de poursuivre les investigations. Des instruments de meilleure qualité sont installées à bord des satellites Vela mis en orbite entre 1969 et 1970. Une triangulation grossière des sources de seize sursauts gamma est effectuée en comparant l'heure précise de détection des sursauts gamma par les différents satellites. Ces mesures permettent d'éliminer toutes les sources de rayonnement gamma connues à cette époque : supernova, Terre, Lune, Soleil.. Les données sont couvertes par le secret militaire du fait de la nature du programme Vela mais elles sont finalement déclassifiées en 1973. La découverte des signaux mystérieux est rendue publique dans un article publié dans The Astrophysical Journal. Le nouveau phénomène est alors baptisé sursaut gamma ou GRB (« », ou sursaut gamma)..

À la recherche de la source des sursauts gamma vignette|Le premier réseau (IPN) mis en place à compte 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.