Aux origines de la luminosité extrême des sursauts gamma

Les sursauts gamma résultent de phénomènes cataclysmiques liés à l’implosion d’une étoile super-massive ou à la collision d’astres compacts. Les signatures radiatives de ces cataclysmes suggèrent que des ondes de choc animées de vitesses proches de celle de la lumière se sont formées au voisinage de ces objets et y ont accéléré les électrons ambiants à très haute énergie. Ces chocs sont exotiques car ils résultent non de collisions entre particules, comme c’est le cas sur Terre, mais de structures turbulentes électromagnétiques, cohérentes sur plusieurs centaines de kilomètres. Ce sont elles qui, créées en amont par interaction entre le plasma ambiant et les particules accélérées par le choc, compriment et chauffent progressivement le plasma. L’analyse des observations radiatives suggère que les électrons atteignent alors des températures d’environ 10¹⁴ K.

Une équipe franco-américaine vient de proposer un modèle théorique permettant d’expliquer ce chauffage extrême durant la traversée du choc. Dans cette description, la différence de masse entre les ions et les électrons du plasma entraîne leur découplage lors de leur interaction avec la turbulence. Les électrons, plus légers, sont piégés par friction sur les structures électromagnétiques, tandis que les ions, plus lourds, peuvent s’en extraire. Cette différence de charge induit un champ électrique intense qui conduit au chauffage voulu par un effet analogue à l’effet Joule.

Ce scénario a été corroboré par des simulations numériques effectuées au moyen du code CALDER du CEA-DAM sur le supercalculateur français OCCIGEN, grâce à une allocation du grand équipement national de calcul intensif. Ayant monopolisé 8000 cœurs de calcul, pour une durée totale de 4,5 millions d’heures, ces simulations jouent le rôle d’expériences virtuelles reproduisant les conditions extrêmes de ces milieux astrophysiques.

Légende : Vue d’artiste de la coalescence d’un système d’étoiles à neutrons, donnant lieu à l’émission d’ondes gravitationnelles et d’un jet de matière se propageant à une vitesse proche de celle de la lumière. Un choc se forme à l’interface entre ce jet et le milieu extérieur, composé d’un plasma d’électrons et d’ions. L’encart montre la carte de température des électrons, telle que prédite par une simulation numérique. La température des électrons, qui se propagent de la droite vers la gauche, croît fortement à mesure qu’ils se rapprochent du milieu choqué (à gauche) dans le référentiel duquel la simulation est réalisée.