En bref
Dans l’espace, certains événements produisent des éclairs de lumière extrêmement puissants, qui peuvent durer quelques secondes ou plusieurs heures. En les observant, les scientifiques cherchent à comprendre comment naissent les étoiles, les galaxies et des éléments comme l’or. Des découvertes récentes montrent que ces phénomènes sont plus variés qu’on ne le pensait.
Des éclairs pris pour des essais nucléaires
Au loin dans l’Univers, une étoile peut s’effondrer ou deux astres très compacts peuvent entrer en collision. L’événement projette alors dans l’espace des faisceaux de rayonnement et de particules qui filent presque à la vitesse de la lumière. Si l’un de ces faisceaux est dirigé vers la Terre, les observatoires spatiaux peuvent détecter un éclair de rayons gamma. Invisibles à l’œil nu, ces rayons très énergétiques constituent parfois le premier signe d’une explosion cosmique d’une violence extrême. Après l’éclair, la région concernée brille aussi dans d’autres longueurs d’onde, des rayons X à la lumière visible et aux ondes radio.
La découverte de ces explosions ne doit rien à un observatoire conçu pour explorer les profondeurs de l’Univers : elle est née d’un programme militaire de la guerre froide. Dans les années 1960, les États-Unis ont lancé les satellites Vela afin de surveiller la Terre et de repérer des signaux susceptibles de révéler des essais d’armes nucléaires. Le 2 juillet 1967, deux satellites ont enregistré un signal étrange. À première vue, il ressemblait à celui d’une explosion nucléaire, mais son profil ne correspondait pas à ce qu’aurait produit un essai sur Terre. Tout indiquait plutôt une origine spatiale.
En examinant les données des satellites, les scientifiques ont découvert 16 événements comparables, enregistrés entre juillet 1969 et juillet 1972. Les informations sont d’abord restées secrètes. Les résultats ont finalement été rendus publics en 1973, après que les chercheurs ont établi que les signaux ne provenaient pas d’un essai soviétique clandestin. À l’époque, personne ne savait vraiment expliquer le phénomène : il a été baptisé sursaut gamma, ou GRB, d’après son nom anglais.
Au fil des décennies, plusieurs observatoires spatiaux ont permis d’en détecter des milliers. Parmi eux figurent le Compton Gamma Ray Observatory de la NASA, le satellite européen INTEGRAL, puis les observatoires Fermi et Swift de la NASA. Les observations ont montré que ces signaux ne venaient ni d’explosions sur Terre ni de sources imaginaires : ils sont produits par des phénomènes naturels dans des objets lointains. Aujourd’hui, les observatoires repèrent en moyenne un sursaut par jour. Beaucoup leur échappent toutefois, car les faisceaux ne sont pas tous dirigés vers nous.
Pourquoi ces éclairs sont-ils si puissants ?
L’énergie d’une explosion n’est pas émise de façon égale dans toutes les directions. Dans les scénarios les plus courants, deux faisceaux étroits et opposés jaillissent près du trou noir, emportant de la matière brûlante et des particules qui se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Les particules seraient notamment des électrons et des positrons, et peut-être aussi des protons ; les champs magnétiques contribueraient à les guider. En général, nous ne voyons que le faisceau dont la trajectoire passe près de la Terre.
La durée des sursauts varie. Pendant longtemps, les scientifiques les ont répartis en deux catégories simples : les événements courts, qui ne durent pas plus de 2 secondes, et les événements longs, qui peuvent durer des dizaines de secondes. Les premiers ont souvent été associés à la fusion de deux étoiles à neutrons, des restes d’étoiles petits et extrêmement denses. Les seconds ont plutôt été liés à l’effondrement d’une étoile massive. Dans les deux cas, de la matière peut s’accumuler autour du trou noir qui vient de se former. Celui-ci en attire une partie et peut en éjecter une autre sous forme de faisceaux. La quantité de matière disponible et la vitesse à laquelle elle tombe influencent la durée des jets.
En quelques secondes, un sursaut gamma peut libérer autant d’énergie que le Soleil en produira pendant toute sa vie. Selon une autre estimation, son énergie équivaudrait à près d’un million de billions de billions de bombes d’Hiroshima. Ces événements dépassent donc en intensité les explosions de supernovas, même si celles-ci comptent déjà parmi les phénomènes les plus énergétiques du cosmos. Les distances immenses atténuent toutefois ce qui parvient jusqu’à la Terre : la plupart des sursauts observés viennent de galaxies situées à des milliards d’années-lumière.
Si un faisceau frappait directement une planète située à quelques milliers d’années-lumière, il pourrait avoir de graves conséquences pour son atmosphère. Brian Thomas, physicien et astrophysicien à Washburn University, a étudié les effets possibles d’un tel événement sur la Terre. Le rayonnement pourrait briser des molécules d’oxygène et d’azote, favorisant la formation d’oxydes d’azote qui détruisent l’ozone. Si la couche d’ozone était affaiblie pendant près d’une décennie, les êtres vivants seraient davantage exposés aux rayons ultraviolets. Ce scénario reste cependant hypothétique et sa probabilité est extrêmement faible : il ne constitue pas une menace quotidienne.
Des usines cosmiques à l’origine des éléments terrestres
Les sursauts gamma pourraient aussi nous aider à comprendre comment se sont formés certains des matériaux qui composent le monde autour de nous. Par les réactions qui se déroulent en leur sein, les premières étoiles ont produit de l’hydrogène, de l’hélium et des éléments plus lourds, jusqu’au fer. La formation de nombreux éléments encore plus lourds nécessite un environnement riche en neutrons libres. Les noyaux atomiques les capturent alors rapidement : c’est le processus de capture rapide des neutrons, appelé processus r.
On estime qu’environ la moitié des éléments plus lourds que le fer se forment de cette manière. L’or, le platine, l’uranium, le thorium et l’iode en font partie. Les conditions nécessaires pourraient être réunies lors de la collision de deux étoiles à neutrons ou de certains effondrements stellaires particulièrement violents. Observer un sursaut ne permet donc pas seulement d’en chercher l’origine : cela peut aussi éclairer la naissance d’éléments aux rôles très différents. L’iode entre dans la composition des hormones de la thyroïde, l’uranium contribue à la chaleur interne de la Terre, tandis que l’or et le platine sont des métaux importants dans les domaines culturel et industriel.
Un indice majeur est apparu en 2017. Le 17 août, les détecteurs américains LIGO et italien Virgo ont repéré des ondulations de l’espace-temps provenant de la galaxie NGC 4993, située à environ 130 millions d’années-lumière, dans la constellation de l’Hydre. Les caractéristiques du signal ont révélé que les deux objets impliqués étaient des étoiles à neutrons entrées en collision. Peu après, le télescope Fermi a détecté un éclair de rayons gamma provenant de la même direction : il a été baptisé GRB 170817A.
L’événement s’est accompagné d’une lueur appelée kilonova, associée à l’éjection de matière riche en neutrons, propice à la formation d’éléments lourds. Selon une estimation, la quantité d’or et de platine produite aurait pu atteindre l’équivalent de dix fois la masse de la Terre. Cette observation n’a pas tout tranché. Son importance tient plutôt au fait qu’elle a réuni, lors d’un même événement, la détection d’ondes gravitationnelles et de rayons gamma, puis celle d’une lueur qui leur a succédé. Elle a ainsi fortement étayé l’hypothèse selon laquelle la fusion d’étoiles à neutrons fabrique certains des éléments les plus lourds.
Des sursauts longs qui bousculent les classifications
Les catégories semblaient bien établies jusqu’à l’apparition d’un événement en décembre 2021. Détecté dans une galaxie située à 1,1 milliard d’années-lumière, GRB 211211A a duré environ 50 secondes, une durée qui correspond habituellement aux sursauts longs associés à l’effondrement d’une étoile massive. Mais une équipe comprenant l’astrophysicienne Jillian Rastinejad, de l’Université du Maryland à College Park, a utilisé des observatoires à Hawaii et en Arizona sans trouver les signes attendus d’une supernova. À la place, elle a observé une lueur rouge compatible avec la production d’éléments lourds dans une kilonova.
L’étude publiée en 2022 a montré que l’événement ne suivait pas le scénario habituellement attendu lors de l’effondrement d’une étoile massive. Son explication reste néanmoins débattue. Il pourrait s’agir de la fusion de deux étoiles à neutrons, mais la durée du phénomène soulève une question : comment leurs restes ont-ils pu alimenter des faisceaux pendant 50 secondes ? Une hypothèse veut qu’un trou noir ait déchiré une étoile à neutrons qui l’accompagnait, produisant beaucoup de matière qui serait ensuite tombée progressivement en lui. Selon une autre explication, un grand disque de matière se serait formé autour des restes de la fusion et aurait alimenté les jets plus longtemps. Eric Burns, astrophysicien à l’Université d’État de Louisiane, a proposé une autre possibilité : le second astre aurait été une naine blanche, le reste d’une étoile plus petite, comparable au Soleil, qui aurait mis davantage de temps à être engloutie.
En 2023, GRB 230307A a duré 200 secondes sans présenter de signes clairs de supernova. Les astronomes ont tourné le télescope spatial James-Webb vers sa source. Dans l’infrarouge, ils ont détecté une lumière provenant du tellure, un élément associé au processus r. Cette observation renforce la possibilité que des étoiles à neutrons aient participé à l’événement, mais elle n’explique pas comment un sursaut aussi long a pu se produire. La détection d’ondes gravitationnelles aurait pu aider à déterminer la nature des astres concernés, mais les observatoires LIGO et Virgo étaient alors à l’arrêt pour maintenance.
Le sursaut le plus brillant n’a pas livré tous ses secrets
Le 9 octobre 2022, les scientifiques ont détecté un autre événement, devenu célèbre sous le nom de « plus brillant de tous les temps », ou BOAT. Il provenait d’une source située à 2,4 milliards d’années-lumière. Son faisceau a atteint la Terre avec une telle intensité que les observatoires gamma en orbite ont été temporairement saturés. L’émission de rayons gamma a duré plus de 10 minutes. L’événement a également affecté les couches supérieures de l’atmosphère, et des perturbations des communications radio ainsi que de l’activité des capteurs de foudre ont été observées en Inde.
À l’origine de l’explosion se trouverait l’effondrement d’une étoile dont la masse atteignait environ 30 fois celle du Soleil, donnant naissance à un trou noir. Les astronomes estiment qu’un événement d’une telle intensité pourrait atteindre la Terre une fois tous les 10 000 ans. Quelques mois après l’explosion, le télescope spatial James-Webb a permis d’identifier la supernova qui lui était associée. Les scientifiques espéraient y trouver des traces d’éléments lourds produits par l’étoile en train de s’effondrer, mais les observations n’en ont révélé aucune preuve claire. L’événement n’a donc pas résolu l’énigme de l’origine des éléments lourds : il a plutôt soulevé une nouvelle question. Les effondrements stellaires en produisent-ils moins que prévu ?
Sept heures de rayonnement par intermittence
Le 2 juillet 2025, le télescope Fermi a enregistré un nouvel événement, désigné GRB 250702B, provenant d’une galaxie poussiéreuse située à environ 8 milliards d’années-lumière. Son énergie a été estimée à l’équivalent du rayonnement de 1 000 soleils pendant 10 milliards d’années. Il n’était pas plus brillant que BOAT, mais il a battu un record de durée : il a duré au moins 7 heures. Il semble aussi avoir diminué d’intensité, puis s’être rallumé trois fois.
Il est difficile d’expliquer ce phénomène par l’explosion unique d’une étoile ordinaire. Selon une idée avancée, le faisceau aurait oscillé, entrant puis sortant de notre champ de vision, ce qui donnerait l’impression que l’émission s’est interrompue avant de reprendre. Mais cette hypothèse n’explique pas sa durée. Une rotation plus rapide de l’étoile en train de s’effondrer pourrait ralentir l’absorption de la matière ; toutefois, si elle tournait trop vite, l’étoile pourrait ne pas s’effondrer comme prévu. Plusieurs équipes ont donc étudié des scénarios plus inhabituels, dont celle menée par Eliza Knights, étudiante en troisième cycle, et Brian Thomas.
L’un des modèles envisage un petit trou noir, d’une masse d’environ trois fois celle du Soleil et d’un diamètre proche de 16 kilomètres, en orbite autour d’une étoile peu massive. Le trou noir aurait d’abord commencé à aspirer l’hydrogène de l’étoile, laissant derrière lui un noyau d’hélium. Il aurait ensuite plongé dans l’étoile, dévorant et déchirant sa matière. Dans ce scénario, le cœur de l’étoile s’effondre vers le trou noir, tandis que des faisceaux jaillissent de ses pôles et percent l’enveloppe stellaire. L’étoile pourrait alors exploser à son tour en supernova. Cette explication reste une possibilité, pas une conclusion établie : l’événement est encore unique, et un seul sursaut ne suffit pas pour départager les modèles avec confiance.
Conclusion
Les sursauts gamma donnent à voir certains des phénomènes les plus extrêmes de l’Univers, mais ils ne sont pas de simples lumières lointaines. Ils révèlent le comportement de la matière près des trous noirs, permettent de tester des hypothèses sur la formation des éléments lourds et servent de balises pour explorer des galaxies anciennes. L’événement de 2017, lié à la fusion d’étoiles à neutrons, a confirmé plusieurs idées des scientifiques. Les sursauts de 2021, 2023 et 2025 montrent toutefois que la distinction classique entre événements courts et longs ne suffit pas à expliquer tout ce que nous observons.
Les chercheurs doivent encore relever trois défis étroitement liés : comprendre la physique violente à l’origine de ces explosions, disposer d’observatoires capables de les observer plus en détail et composer avec le petit nombre d’événements rares qu’il est possible d’étudier de près. Certaines énigmes resteront peut-être ouvertes pendant des années, mais une nouvelle observation pourrait rapidement changer la donne. Ces phénomènes durent parfois quelques secondes, parfois 7 heures : ils offrent une occasion rare d’observer l’Univers en pleine transformation grâce à nos instruments.