dimanche 24 avril 2016

HAWC fournit une nouvelle carte du ciel en rayons gamma

L’observatoire gamma High Altitude Water Cherenkov (HAWC) a débuté ses opérations à l'été 2013 (voir ici). Cet observatoire qui a pour objectif d’étudier l’origine des rayons cosmiques et des rayons gamma ultra énergétiques vient de rendre publique la semaine dernière sa première carte du ciel gamma couvrant 2/3 du ciel. On y découvre de nouvelles sources d'émission gamma ainsi que des zones déjà connues mais avec plus de détails.



Cet observatoire utilise une technique de détection unique. Il s’agit d’une série de 300 grosses cuves remplies d’eau pure de 5 mètres de haut pour un diamètre de 7,3 mètres (soit 180 000 litres). HAWC est installé au Mexique, sur les pentes d’un volcan, le Sierra Negra, à une altitude de 4100 m, dans l’état du Puebla. Cet observatoire est exploité par une équipe de 120 chercheurs mexicains et américains.
Carte du ciel gamma par HAWC (HAWC Collaboration)
Chaque cuve est équipée de quatre photomultiplicateurs qui enregistrent le moindre photon de lumière apparaissant dans le volume d’eau maintenu dans le plus grande obscurité. Cette lumière dite lumière Cherenkov, trahit l’interaction de particules chargées très rapides (plus rapides que ne l’est la lumière dans l’eau, soit 40% de moins que dans le vide).
Les rayons gamma très énergétiques, en frappant la haute atmosphère, produisent des particules secondaires elles aussi très énergétiques et donc très rapides, que HAWC peut capturer au niveau du sol, qui est déjà situé à plus de 4000 m altitude, pour en perdre le moins possible lors de leur descente dans les profondeurs de l’atmosphère. HAWC peut ainsi être sensible à des particules dont l’énergie se situe entre 100 GeV et 100 TeV.
C'est environ 20 000 particules chargées secondaires par seconde que HAWC parvient à détecter. Le photon gamma le plus énergétique détecté (indirectement) avait une énergie de 60 TeV (60 000 milliards d'électron-volts).
Les rayons gamma de très haute énergie que HAWC traque, grâce à son champ de vision énorme qui lui permet de voir les 2/3 du ciel en 24 heures, viennent principalement des phénomènes les plus violents de l’Univers : collisions d’étoiles à neutrons, explosions de supernovae, trous noirs supermassifs, …

Grâce à la combinaison subtile des signaux Cherenkov des différents sous-éléments de l’ensemble, les astrophysiciens parviennent à déterminer à la fois le temps d’arrivée, l’énergie incidente et la direction d’origine du rayon gamma (ou du rayon cosmique) initial ayant produit la gerbe de particules secondaires, pour pouvoir construire une carte précise des sources de rayonnement.
La très bonne résolution angulaire sur la direction d'origine des rayons gamma détectée est obtenue par HAWC grâce à la mesure simultanée des particules secondaires dans les différentes cuves instrumentées. La direction initiale peut être reconstruite très précisément en utilisant les différences de temps d'arrivée des particules d'une cuve à l'autre, qui se comptent en nanosecondes. Et HAWC fonctionne en continu 24h/24 chaque jour de l'année.

La source gamma TeV J1930+188 imagée par HAWC
(HAWC collaboration)
Cette carte qu'a présenté Brenda Dingus (Los Alamos National Laboratory) lors de la rencontre de l'American Physical Society qui s'est tenue à Salt Lake City le 18 avril dernier, intègre toutes les données collectées depuis mars 2015 et la mise en route de HAWC à pleine capacité avec la totalité de ses cuves. On y voit notamment les très nombreuses sources gamma de notre galaxie avec de grands détails, pour certaines d'entre elles encore jamais aperçues auparavant (par exemple dans la région riche de la constellation du Cygne). 40 sources distinctes ont été trouvées dont 10 étaient inconnues auparavant, et qui sont actuellement activement investiguées pour savoir si un objet vu dans d'autres longueurs d'ondes peut y correspondre.
Deux d'entre elles ont déjà pu être associées à un résidu de supernova (un pulsar) pour la première et à un autre pulsar connu pour la seconde, situé à 26000 années-lumière.

Toujours dans la région de la Voie Lactée, une source gamma avait par exemple été identifiée il y a plusieurs années, appelée TeV J1930+188, et HAWC montre aujourd'hui que cette source n'est pas une source unique mais se trouve être composée de trois sources très proches les unes des autres. Cette zone est donc bien plus complexe qu'imaginé auparavant.
HAWC est également capable de détecter les rayons gamma venant de bien plus loin que notre propre galaxie, comme le centre de galaxies éloignées où s'active un trou noir supermassif. Et il y a juste quelques jours, au début du mois d'avril, HAWC a surpris une telle source produisant une soudaine "éruption" dans la galaxie Markarian 501. Alors qu'il n'y avait rien de particulier le 5 avril, les chercheurs ont eu la surprise de voir une intense source gamma apparaître le 6 avril, puis disparaître presque totalement le 8 avril. 
Les autres télescopes gamma ne peuvent qu'observer une portion restreinte du ciel et ont donc beaucoup plus de difficultés à pouvoir capturer ce type d'éruptions gamma. HAWC pourra évaluer la fréquence de ces événements transitoires dans les années qui viennent. Les chercheurs qui exploitent HAWC espèrent surtout pouvoir observer un tel flash gamma (ou plusieurs) en provenance du trou noir de notre galaxie, Sgr A*.

HAWC est prévu pour poursuivre ses acquisitions de données au moins dans les cinq années qui viennent, permettant d'atteindre des énergies de photons gamma toujours plus élevées. Avec la mise en commun de ses cartes détaillées et des résultats d'autres télescopes gamma, les chercheurs espèrent étendre leur compréhension des processus les plus violents de l'Univers.


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