Trois résultats récents sur les sursauts gamma Jean-Luc Atteia LATT, OMP, Toulouse, France Biais vers les observations et vers les observations spatiales

Les sursauts gamma (1) Les sursauts gamma sont des phénomènes astrophysiques remarquables, produits lorsqu’une source astrophysique émet un jet ultra-relativiste dans notre direction. Les sursauts gamma longs nous révèlent l’explosion d’étoiles massives, et la formation possible d’un trou noir stellaire. Ils sont observés à des distances cosmologiques (z = 0.1 – 4.5). Les sursauts proches (z ≤ 0.7) ont pu être associés à des supernovae énergétiques de type Ic. La nature du ‘moteur central’ capable de lancer et d’entretenir le jet ultra-relativiste reste spéculative. Credit Jimmy Cox

Les sursauts gamma (2) GRB 021211 Les sursauts gamma sont des phénomènes complexes constitués de plusieurs phases successives: émission prompte, afterglow, supernova… Les sursauts gamma peuvent être utilisés pour étudier: La physique des jets relativistes Les mécanismes à l’œuvre dans les explosions d’étoiles massives et la formation des trous noirs stellaires Le milieu interstellaire des galaxies jeunes L’histoire de la formation stellaire Les paramètres cosmologiques (chandelles standards)

      GRB 050509B, un sursaut court localisé par SWIFT La comparaison des supernovae associées aux X-Ray Flash (XRF) et aux sursauts gamma    L’afterglow précoce des sursauts gamma

Sursauts courts et sursauts longs... Dezalay et al. 1992 Paciesas et al. 1999 Les sursauts courts semblent constituer une classe à part On n’a jamais observé l’afterglow visible d’un sursaut court et on ne connait pas leur distance, ni leur origine.

GRB 050509B Durée=40 ms, Fluence=10-8 erg/cm2, Detecté et localisé par SWIFT/BAT Afterglow RX detecté et localisé par SWIFT/XRT Gehrels et al., 2005

GRB 050509B Afterglow RX faible: F = 3.6 10-13 erg/cm2 (62-1640 sec après le GRB) Pas detecté par Chandra, 2 jours après le sursaut. Proche d’une galaxie elliptique à z=0.225 Pas d’afterglow visible Pas de supernova lumineuse Galaxie hôte ?

Sursauts courts et SGRs ? Le 27 Décembre 2004, SGR 1806-20 a émis un sursaut géant. Le pic initial (107 ph/cm2/s) a duré 200 ms et avait un spectre dur. Q: De tels événements peuvent-ils expliquer les sursauts courts ? GRB 050509B Eiso ≈ 1048 erg (100 x plus intense) Durée = 40 ms (5 x plus court) Pas de formation stellaire récente dans la galaxie elliptique. Hurley et al., 2005

L’origine des sursauts courts If z = 0.225 L’énergie du sursaut est comparable à celle des plus faibles GRBs. L’afterglow RX est 100 fois moins lumineux que ceux des sursauts longs classiques. Lx(10h) /Eiso ~ GRB classiques La position de GRB 050509B est compatible avec l’hypothèse d’une coalescence d’objets compacts (NS+NS or NS+BH). Il faut impérativement localiser d’autres sursauts courts pour s’affranchir du problème des probabilités à-posteriori et être certain de comprendre leur origine.

      GRB 050509B, un sursaut court localisé par SWIFT La comparaison des supernovae associées aux X-Ray Flash (XRF) et aux sursauts gamma    L’afterglow précoce des sursauts gamma

X-Ray Flashes HETE-2 GRBs, Barraud et al. 2004 XRFs XRRs GRBs S/H Les XRFs sont des sursauts gamma mous qui n’ont pas de photons au-delà de 50 keV. Les distances de 2 XRFs ont été mesurées : XRF 020903, z=0.25 XRF 040701, z=0.21

Les supernovae associées aux X-Ray Flashes (XRF) … Pourquoi chercher les supernovae associées aux XRFs ? Les XRFs ont des petits Epeak. Si ils suivent la relation Epeak–Eiso, ils doivent avoir des petits Eiso. On s’attend donc à détecter une majorité de XRF proches. Si les XRFs sont associés à des SN lumineuses, comme les GRBs, celles-ci devraient être facilement détectables. HETE BeppoSAX Slope = 0.5 Lamb et al., 2003

Les supernovae associées aux X-Ray Flashes (XRF) … La situation actuelle XRF 020903 a été associé à une supernova lumineuse, semblable à celle d’autres sursauts. XRF 040701 ne peut pas être associé à une supernova lumineuse. S’ils sont proches, les autres XRF ne peuvent pas être associés à des supernovae lumineuses. Soderberg et al., 2005

Les supernovae associées aux X-Ray Flashes (XRF) … L’association XRF – SN est prouvée dans le cas de XRF 020903. Certains XRF ne peuvent être à la fois proches et associés à des SN lumineuses Il est difficile de fournir contraintes fortes sur la luminosité des SN associées aux XRF à cause de l’extinction qui est inconnue L’observation des SN associées aux GRB et aux XRF permettra peut-être d’élucider l’origine de la différence entre ces deux types d’événements : - Energie totale - Orientation - Chocs moins violents - Environnement: extinction - Moteur central - Redshift

      GRB 050509B, un sursaut court localisé par SWIFT La comparaison des supernovae associées aux X-Ray Flash (XRF) et aux sursauts gamma    L’afterglow précoce des sursauts gamma

L’afterglow précoce Depuis 2002, les télescopes robotiques ont observé plusieurs afterglows dans les minutes qui ont suivi le sursaut. Depuis la fin 2004, SWIFT permet en plus l’observation de l’afterglow précoce en RX. Qu’avons-nous découvert ?

L’afterglow précoce en optique Lorsqu’il est détecté… l’afterglow précoce apparaît très variable, avec des ruptures de pente et des regains d’activité. C’est une phase très riche de l’évolution des sursauts qui commence seulement à être observée depuis 2-3 ans.

L’afterglow précoce en RX SWIFT/XRT a permis les premières observations de l’afterglow précoce en RX… Contrairement au domaine visible, l’afterglow RX précoce est presque toujours détecté par le XRT. Comme l’afterglow visible, l’afterglow RX est rapidement variable. Tagliaferri et al. 2005

L’afterglow précoce en RX Burrows et al. 2005 La phénoménologie de l’afterglow RX précoce est très riche

Evolution de l’afterglow précoce L’évolution de l’afterglow précoce est affectée par: La dynamique du moteur central (chocs ) Le choc en retour Les inhomogéneïtés du milieu environnant la source La structure du jet L’illumination par le sursaut de son voisinage : ionisation du gaz, destruction des poussières… Ces scénarii conduisent à des évolutions spectro-temporelles distinctes L’afterglow précoce contient des informations cruciales sur la physique et sur l’environnement immédiat des sursauts L’afterglow précoce doit être étudié en optique dans plusieurs couleurs et en RX. Cf. GRB 050525, présentation de Michel Boer

Conclusions (1) 8 ans après les découvertes permises par BeppoSAX, l’étude des sursauts gamma reste un domaine en évolution très rapide, grâce aux localisations de HETE-2, INTEGRAL et SWIFT, et à un suivi efficace depuis le sol et l’espace. Les sursauts gamma sont des phénomènes complexes qui doivent être étudiés dans leur globalité (sursaut, afterglow, supernova, galaxie hôte) pour mieux appréhender leur propriétés fondamentales. C’est à ce prix qu’ils pourront servir d’outils astrophysiques fiables. La France occupe une place de choix dans l’étude des sursauts gamma grâce à ses contributions instrumentales (HETE-2, INTEGRAL, TAROT, RTAS ‘sursauts gamma’ au CFHT) et aux travaux théoriques de plusieurs équipes, particulièrement ceux du groupe de l’IAP (R. Mochkovitch).

Conclusions (2) Il est crucial de continuer à étudier les sursauts gamma... La communauté française participe à plusieurs projets: X-Shooter, spectromètre de deuxième génération pour le VLT. ECLAIRs: microsatellite du CNES pour La localisation rapide de tous les types de sursauts L’observation multi-longueur d’onde de l’émission prompte La détection des sursauts gamma à grand redshift L’observation des ‘autres messagers’ (neutrinos, Rayons Cosmiques, ondes gravitationnelles) Le travail théorique doit continuer