2011

RETOUR AUX SOURCES DU RAYONNEMENT COSMIQUE - Des astrophysiciens de l’UNIGE détectent des lieux d’accélération naturelle de particules dans l’espace

Deux études menées par le groupe de Roland Walter, chercheur au Départment d'astronomie de l'Université de Genève (UNIGE), paraissent dans les numéros de février et mars de la revue Astronomy & Astrophysics. Ces publications décrivent des accélérateurs cosmiques de particules à très haute énergie, soit des phénomènes très rarement identifiés. La signature de ces protons et de ces éléctrons les plus énergétiques jamais observés vient d'être mise en évidence dans Eta Carinae, ainsi que dans la nébuleuse du Crabe. Ces deux découvertes confirment désormais deux sources de rayonnement cosmique. De telles localisations demeurent très ardues à réaliser pour les chercheurs. C’est là l’enjeu de la prouesse que viennent d’accomplir les astronomes de l’UNIGE.

Les rayons cosmiques se composent surtout de protons et de noyaux ; plus rarement d'électrons, eux qui se dispersent et perdent très vite leur énergie. A l’heure actuelle, l’origine de ces rayonnements, soit le lieu où les particules sont accélérées dans la galaxie et dans l’univers, fait l’objet d’une question importante pour la physique ; déterminer cette origine relève encore de la gageure. Un groupe d’astronomes de l’UNIGE vient cependant d’ouvrir une voie pionnière par des observations réalisées dans le système stellaire d’Eta Carinae, qui permettra certainement de faire progresser les connaissances. Les chercheurs ont aussi détecté les électrons les plus énergétiques de l’Univers, des électrons qui sont accélérés au sein de la nébuleuse du Crabe.

Un peu d’histoire
L'univers accélère des particules jusqu'à des énergies inouïes et ce phénomène naturel n’est toujours pas compris aujourd’hui. Dans notre galaxie, l'énergie des particules accélérées est plus importante que de celle de la lumière émise par l'ensemble des étoiles qui la constituent. Impétueuses, ces particules sont donc des éléments essentiels de la thermodynamique galactique. Elles forment un rayonnement qui a été observé pour la première fois en 1911 par l’astronome Victor Hess, qui obtint le prix Nobel en 1936 pour cette découverte. Plusieurs types de rayonnements sont à distinguer et l’on doit notamment la description du premier rayon cosmique de très haute énergie à Pierre Auger, qui le détecta en 1936 depuis le sommet du Jungfraujoch. En 1962, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) repérèrent le premier rayon à énergie ultra élevée depuis le Nouveau Mexique.

Vous avez dit rayons cosmiques ?
Aubaine des chercheurs, les particules interagissent dans la région où elles sont émises, générant ainsi de la lumière : des photons. Les particules à faible énergie émettent du rayonnement radio, tandis que les plus énergétiques émettent principalement du rayonnement gamma. A l’UNIGE, celui-ci est traqué par les astrophysiciens au moyen des satellites INTEGRAL et Fermi. L’équipe de Roland Walter a recouru à ces instruments pour réaliser l’étude de deux accélérateurs cosmiques : l’une des étoiles les plus massives de la galaxie, Eta Carinae, ainsi que la Nébuleuse du Crabe.

Dans le vent des étoiles massives
Eta Carinae est un système stellaire constitué de deux étoiles qui comptent parmi les plus massives et les plus lumineuses de la galaxie. Elles se tournent autour en un peu plus de cinq ans sur deux orbites elliptiques au périgée desquelles les étoiles sont près de se toucher. Ces étoiles génèrent des vents stellaires extraordinaires, des collisions, des chocs si violents que la température des gaz présents s’en trouve élevée à des millions de degrés, tandis que les particules de matière (électrons, protons, noyaux) sont alors accélérées. Dans Eta Carinae, un processus exceptionnel se déroule : la lumière ultraviolette émise à la surface de l'étoile va interagir avec les électrons accélérés et les empêcher d'atteindre une énergie trop élevée. L’énergie maximale de ces derniers restera limitée à quelques giga-électrons/volt (GeV).

A nouveau, les astronomes de l’UNIGE ont réalisé cette mesure très fine grâce aux satellites INTEGRAL et Fermi. Leur recherche les a de plus menés vers quelque chose de complètement neuf : ils ont identifié des protons qui sont accélérés à des énergies similaires à celles obtenues dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Centre européen de la recherche nucléaire (CERN) ! S’il s’agit, comme le pensent les acteurs de cette découverte, du repérage de la première signature de l’accélération de protons dans des collisions de vents stellaires, une étape est établie, qui fera date dans la compréhension de l'origine des rayons cosmiques galactiques. L’étude a paru dans le numéro de février de la revue Astronomy & Astrophysics.

Entre les pinces d’un Crabe turbulent
La nébuleuse du Crabe est le résidu de l'explosion d'une supernova qui s’est produite en 1054. Elle est observable avec une paire de jumelle et émet des rayons cosmiques presque exclusivement faits d’électrons indirectement accélérés par son pulsar -il s’agit d’une étoile à neutrons tournant sur elle-même trente fois par seconde et qui se trouve au cœur de la nébuleuse-. Sous l’effet de chocs violents, les électrons subissent une accélération et perdent leur énergie en tournant dans le champ magnétique de la nébuleuse. En septembre 2010, le satellite Fermi a observé trois flashes de rayons gamma provenant de la nébuleuse. Ces trois flashes, très courts et intenses, sont la signature d'électrons accélérés à une énergie qu’il faut mesurer en péta-électrons/volt, car elle est mille fois plus grande que les débauches énergétiques artificiellement provoquées dans le LHC. I

l s’agit d’électrons munis de l'énergie la plus élevée jamais observée dans une source cosmique, énergie correspondant du reste au seuil maximal que des électrons peuvent atteindre dans la nébuleuse. Ce qui fait dire à Roland Walter qu’« avec la nébuleuse du Crabe, on peut considérer que la nature a créé un "accélérateur parfait" ». Les astrophysiciens de l’UNIGE décrivent l’émission de particules comme issue d'une toute petite région de la nébuleuse, qu’ils sont du reste arrivés à situer tout proche du pulsar du Crabe. Cette seconde étude fait l’objet d’une publication dans le numéro de mars de la revue Astronomy & Astrophysics. La compréhension des accélérateurs cosmiques passe par l’observation de rayons gamma de diverses énergies. En plus des satellites comme INTEGRAL et Fermi, les astronomes ont dès lors besoin d'instruments capables de couvrir des énergies encore plus élevées. Dans cet objectif, ils collaborent avec les physiciens des particules de l'ETHZ, de l’UniZH et de l’EPFL au projet CTA (http://www.isdc.unige.ch/cta/), pour lequel le Fonds national a accordé un subside Sinergia.

Contacts: Roland Walter au +41 22 379 21 28

8 mars 2011
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