Un accélérateur cosmique est découvert au centre de la Voie Lactée - 09 février 2006 - 15:30

L'expérience H.E.S.S découvre un accélérateur cosmique en pleine action au centre de la Voie Lactée. Les chercheurs du CNRS (laboratoires IN2P3 (1) et INSU (2)) et du CEA-Dapnia (3), dans le cadre d'une collaboration internationale, ont pu observer avec précision, grâce aux télescopes H.E.S.S., des rayons gamma de très haute énergie en provenance de nuages de gaz géants, particulièrement nombreux au centre de notre galaxie.

L'émission gamma, produite par collision des rayons cosmiques avec ces nuages, était prédite et attendue. Ce que H.E.S.S. vient d'apporter de nouveau, c'est la mesure précise de son intensité et de sa répartition énergétique. Celle-ci montre que les rayons cosmiques sont bien plus nombreux et plus énergétiques au centre de la Voie Lactée qu'au voisinage de la Terre.

Deux hypothèses sont avancées pour expliquer ce phénomène : une accélération massive de rayons cosmiques qui s'est produite il y a quelques milliers d'années et qui aurait pour origine soit un sursaut d'activité du trou noir supermassif situé au centre de la Voie Lactée, soit l'explosion d'une supernova proche de celui-ci. Ces résultats font l'objet d'une publication dans la revue Nature à paraître le 9 février.


Un accélérateur cosmique est découvert au centre de la Voie Lactée

Un moyen pour comprendre l'origine et la nature des rayons cosmiques (voir note) consiste à déterminer leur répartition spatiale. Diffusent-ils uniformément dans toute la galaxie ? Au contraire, leur flux et leur spectre en énergie varient-ils d'un endroit à un autre (par exemple au voisinage d'un accélérateur de rayons cosmiques) ? Les mesures directes des rayons cosmiques ne peuvent être effectuées qu'à l'intérieur du système solaire situé à 25 000 années-lumière du centre de la Voie Lactée. Les astrophysiciens parviennent cependant à étudier les rayons cosmiques dans toute la Galaxie en observant les rayons gamma émis lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec les molécules des nuages de gaz interstellaires. Si des rayons gamma sont détectés en provenance des nuages, la mesure de leur flux et leur distribution en énergie permettent aux astrophysiciens d'en déduire la densité et le spectre en énergie des rayons cosmiques à l'intérieur de ces nuages.

Les chercheurs du CNRS et du CEA ont ainsi détecté une émission gamma de très haute énergie en provenance d'un ensemble de nuages de gaz proches du centre de la Voie Lactée. Ces nuages d'hydrogène gazeux sont des nuages géants, atteignant une masse 50 millions de fois supérieure à celle du Soleil. C'est la très grande sensibilité des télescopes H.E.S.S. qui a permis de découvrir que ces nuages émettent un rayonnement gamma de très haute énergie, dont on a pu mesurer le flux et la distribution en énergie.

Les données des télescopes H.E.S.S. permettent aux astrophysiciens de conclure que les rayons cosmiques au centre de la Voie Lactée sont plus énergétiques que dans le système solaire. Par ailleurs, l'intensité du rayonnement gamma observé indique que la densité de rayons cosmiques au centre de notre galaxie dépasse significativement la densité mesurée localement. Ces deux observations suggèrent qu'il existe une source « jeune » de rayons cosmiques à proximité du cœur de notre galaxie. C'est la première fois qu'on assiste en direct à l'accélération des rayons cosmiques. L' « accélérateur » des rayons cosmiques qui en est responsable pourrait être une gigantesque explosion d'étoile (supernova) ou le trou noir supermassif central par exemple. Les observations du centre galactique avec H.E.S.S. continuent afin de rechercher activement le site d'accélération de ces particules.

La collaboration H.E.S.S. - L'équipe H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System, système stéreoscopique de haute énergie) est composée de scientifiques venant d'Allemagne, France, Grande-Bretagne, République Tchèque, Irlande, Arménie, Afrique du Sud et Namibie.

Le détecteur - Les résultats ont été obtenus avec les télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System, système stéréoscopique de haute énergie) situés en Namibie, dans le sud-ouest de l'Afrique. Ce système de quatre télescopes de 13 m de diamètre est actuellement le détecteur de gamma de très haute énergie le plus sensible au monde. Les rayons gamma qui pénètrent dans l'atmosphère génèrent une cascade de particules. Ces particules émettent un flash de lumière bleue peu intense, appelée lumière Tcherenkov et ne durant que quelques milliardièmes de seconde. Cette lumière est réfléchie par les miroirs de 107 m2 puis enregistrée par des caméras ultra-sensibles. Chaque image donne la position dans le ciel d'un photon gamma, et son énergie. Les objets célestes émettant un rayonnement gamma sont cartographiés avec H.E.S.S. à partir des directions d'arrivée dans le ciel de chaque photon gamma.

Les télescopes H.E.S.S. sont le résultat de plusieurs années d'efforts par une collaboration internationale de plus de 100 scientifiques et ingénieurs en provenance d'Allemagne, France, Grande-Bretagne, Irlande, République Tchèque, Arménie, Afrique du Sud et du pays hôte, la Namibie. L'instrument a été inauguré en septembre 2004 par le Premier Ministre de Namibie, Theo-Ben Gurirab, et les premières observations ont déjà permis de nombreuses découvertes importantes, dont la première image astronomique résolue d'un reste de supernova en rayons gamma de hautes énergies (Nature 432, p75). La France participe à leur financement à hauteur d'un tiers.

Quelques définitions :

1- Rayons gamma : Le rayonnement gamma est constitué de photons, comme la lumière visible ou le rayonnement X, mais il est beaucoup plus énergétique. La lumière visible a une énergie de l'ordre de un électron-volt (1 eV). Les rayons X ont une énergie de mille à un million d'eV. H.E.S.S. détecte des rayons gamma de très haute énergie, atteignant un million de millions d'eV (Tera-électron-volt). Ces gamma de très haute énergie sont peu nombreux : même pour une source astrophysique relativement intense, le flux de photons gamma pénétrant dans l'atmosphère est d'environ un par mois et par mètre-carré.

2- Rayons cosmiques : Les rayons cosmiques sont des particules de haute énergie circulant dans l'espace. Ils bombardent l'atmosphère terrestre en permanence dans toutes les directions, et leur énergie est largement supérieure à celle atteinte dans les accélérateurs de particules construits sur Terre. Depuis leur découverte par Victor Hess en 1912, et malgré un siècle d'étude intensive, leur origine reste mal connue. La découverte que l'onde de choc liée à l'explosion d'une supernova est un site d'accélération de particules a été l'un des résultats majeurs de l'expérience H.E.S.S. (Nature 432-nov. 2004, p75).

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