​Plusieurs mécanismes ont été invoqués pour expliquer le chauffage des électrons à l’origine de la luminosité extrême des sursauts gamma, ces bouffées de photons énergétiques qui nous viennent de l’Univers lointain et résultent de phénomènes cataclysmiques : implosion d’une étoile super-massive ou collision d’astres compacts, étoiles à neutrons ou trous noirs. Aucun, toutefois, ne fait jusqu’ici consensus.

Le modèle proposé dans cette étude repose sur la création d’une onde de choc lors de l’interaction entre le jet de matière expulsé par l’explosion et le plasma astrophysique – un gaz très dilué constitué d’électrons et ions. Cette onde de choc, qui se propage dans le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, est causée par l’excitation d’une intense turbulence électromagnétique dans laquelle les particules du plasma sont défléchies. La différence de masse entre les électrons et les ions entraîne cependant leur découplage : les électrons, plus légers, sont piégés par friction sur les structures électromagnétiques, tandis que les ions, plus lourds, peuvent s’en extraire. C’est cette différence de charge entre électrons et ions qui, en créant un champ électrique, conduit au chauffage des électrons, par un processus analogue à l’effet Joule dans un matériau conducteur.

Pour vérifier cette description théorique, les chercheurs ont réalisé des simulations à grande échelle, effectuées au moyen du code CALDER de la Direction des Applications Militaires du CEA (CEA/DAM). Celui-ci a tourné sur le supercalculateur français OCCIGEN, grâce à une allocation du Grand Équipement National de Calcul Intensif (GENCI), utilisant 8 000 cœurs de calcul pour une durée totale de 4,5 millions d’heures. Les résultats de ces simulations, qui concordent avec les observations, confortent l’hypothèse des chercheurs. Au-delà de leur intérêt astrophysique, ces travaux contribuent aussi à améliorer la connaissance des phénomènes complexes mis en jeu lors d’expériences sur des installations CEA/DAM. En effet, à certains égards, ces milieux astrophysiques s’apparentent aux plasmas produits par des lasers à haute intensité comme le laser PETAL (PETawatt Aquitaine Laser), installé au sein du LMJ (Laser MégaJoule) du centre CEA du Cesta.

Les sursauts gamma témoignent des évènements les plus violents et lumineux jamais observés dans l’Univers depuis le Big Bang. Certains d’entre eux se sont produits à une époque où l’âge de l’Univers était de l’ordre de 500 millions d’années : ils peuvent ainsi servir de « sonde » pour arpenter l’Univers jeune. Ils attirent ainsi l’attention d’un parc instrumental florissant dont attestent, par exemple, les futures observations de rémanences par le Cherenkov Telescope Array (CTA) pour les rayons gammas et le Space Variables Objects Monitor (SVOM) dans le domaine X, deux observatoires auxquels contribuent le CEA.