E6 : Les sursauts gamma à l'ère des multi-messagers

Spectre des sursauts : les hautes énergies

L’observation par Fermi/LAT de plusieurs photons avec des énergies atteignant 50-100 GeV dans le référentiel de la source est encourageant sur les perspectives de détection de sursauts par les prochaines générations d’instrument qui opéreront dans le domaine du GeV et du TeV.  En particulier l’expérience CTA devrait observer entre 0.5 et 2 sursauts par an (Inoue et al., Astropart. Phys. 43, 252, 2013). Durant la durée de vie de la mission SVOM, quelques sursauts seront mesurées dans le domaine 0.05-0.5 TeV par CTA, c’est d’autant plus important après la rémanence importante détectée au GeV pour le sursaut GRB 130427A (Tam et al., ApJ, 77, L13, 2013).

Une analyse conjointe des spectres résolus en temps avec les données SVOM et CTA aidera à la compréhension des mécanismes d’accélération et d’émission prenant place dans les jets des sursauts. L’étude de l’émission prompte depuis le domaine d’énergie sub-MeV au  sub-TeV peut permettre de distinguer entre les modèles leptoniques et hadroniques et permettra d’explorer la possibilité que les sursauts sont à l’origine des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie ce qui permettra de répondre à cette fascinante question de l’origine des rayons cosmiques observés sur Terre avec des énergies supérieures à 10¹⁰ GeV.

GRB et nouveaux messagers

Pour le moment, les neutrinos et les ondes gravitationnelles détectés par les expériences dédiées n’ont pu être corrélés avec aucune source astrophysique. Grâce à leur courte durée et leur flux élevé, les sursauts gammas représentent sans doute la meilleure contrepartie électromagnétique, et une détection simultanée serait une avancée décisive, débutant ainsi l’ère astronomique pour ces deux domaines de recherche.

Neutrinos : les neutrinos sont des messagers particulièrement intéressants pour l’étude de l’Univers à haute énergie. Ils sont neutres, stables et intéragissent faiblement, ils voyagent directement de leur lieu de création jusqu’à l’observateur sans être absorbés ni défléchis. Les neutrinos peuvent jouer un rôle important dans la compréhension des processus d’accélération des rayons cosmiques, leur détection en provenance d’une source identifiée étant une signature de processus d’accélération hadronique. En effet, les neutrinos de haute énergie sont produits par des désintégrations de mésons (principalement des pions π) issus de collisions hadroniques provenant de l’interaction de hadrons accélérés (protons ou noyaux) avec le milieu ambient ou avec le champ de photons local. Les neutrinos émis ont typiquement 10% de l’énergie des protons incidents. La production de neutrinos de 10¹⁴ eV nécessite l’accélération de protons jusqu’à 10¹⁵eV, ce qui est attendu même si les sursauts gammas ne sont pas la source des UHECRs. Selon les modèles considérés, ces neutrinos de haute énergie sont émis en coïncidence ou en précurseur de l’émission gamma.

Ondes gravitationnelles : une nouvelles génération de détecteurs à ondes gravitationnelles est actuellement en construction et atteindront leur sensibilité nominales dans les années 2018-2020 : Advanced LIGO, Advanced Virgo et Kagra. Grâce au gain d’un ordre de grandeur en sensibilité par rapport à la génération d’instruments précédente, ces détecteurs auront sans doute atteint la sensibilité requise à la détection du premier signal d’onde gravitationnelle. Les sursauts gammas sont probablement une source importante d’onde gravitationnelle. Les modèles courant pour les sursauts courts impliquent la coalescence de deux objets compacts (étoile à neutrons ou trous noirs), et pour les sursauts longs la mort d’une étoile massive. Les modèles prédisent une signature caractéristique d’onde gravitationnelle lors de la phase finale en spirale de deux objets compacts sur le point de coalescer. La détection simultanée d’un tel signal avec la détection conjointe d’un sursaut gamma  court serait une preuve de la nature double du progéniture des sursauts courts. Les signaux d’ondes gravitationnelles avant et après la coalescence pourrait indiquer les masses et spin du nouvel objet ainsi formé, sa nature et pourrait également placer des contraintes sur l’équation d’état de la matière dense (T. Hinderer, et al., Phys. Rev. D 81, 123016, 2010).