dimanche 19 janvier 2020

Détection de 9 sources de rayons gamma ultra-énergétiques


Neuf sources de rayons gamma ultra-énergétiques viennent d'être découvertes par le multidétecteur Cherenkov HAWC. L'énergie des photons gamma, qui proviennent de notre galaxie, s'étend pour certaines jusqu'à plus de 100 téra-électronvolts (TeV). Une étude publiée dans Physical Review Letters.



L'observatoire HAWC (High Altitude Water Cerenkov) est implanté sur les pentes du volcan mexicain Sierra Negra, à 4100 m d'altitude, au sommet duquel se trouve le fameux radiotélescope LMT qui est une pièce maîtresse de l'Event Horizon Telescope. HAWC est composé de 300 cuves d'eau de 4 m de haut et 7,3 m de diamètre, instrumentées avec quatre détecteurs de lumière chacune (des photomultiplicateurs) pour détecter le passage de particules chargées par la lumière Cherenkov qu'elles y produisent. Cet effet apparaît quand une particule chargée se déplace plus vite que la vitesse de la lumière dans le milieu traversé. Dans l'eau, la vitesse de la lumière est 1,33 fois plus faible que dans le vide, des particules de rayonnement cosmique secondaires très énergétiques qui ont vitesse supérieure peuvent donc y produire cette lumière bleue caractéristique. 


HAWC détecte ainsi les particules secondaires énergétiques qui sont produites en gerbes lorsque des rayons gamma arrivent dans la haute atmosphère de la Terre. Il permet de scruter en continu une large zone du ciel (15° x 15°) à la recherche des sources gamma les plus énergétiques. Avec la rotation de la Terre, il scanne ainsi 2/3 du ciel en 24h. 
HAWC détecte des particules chargées produites par des photons gamma très énergétiques, mais ces photons ont eux-mêmes été produits par des particules chargées (protons ou électrons) qui ont été accélérées au départ dans des accélérateurs cosmiques comme des trous noirs supermassifs dans des noyaux actifs de galaxies ou des résidus de supernovas (trous noirs stellaires ou pulsars). Les photons gamma sont généralement produits non loin du lieu d'accélération des protons ou électrons, quand ces derniers interagissent avec le milieu interstellaire environnant. Il existe aujourd'hui encore des incertitudes sur les mécanismes physiques capables d'accélérations jusqu'à des énergies de l'ordre du TeV ou plus comme ce qui a été mesuré. 

Les chercheurs de la collaboration HAWC avaient publié en août 2019 la première détection de photons gamma atteignant 100 TeV, en provenance du pulsar du Crabe. Cette nouvelle publication est la suite de cette étude avec cette fois tout un catalogue des sources gamma les plus énergétiques jamais détectées, sous la forme de deux cartes. La première carte concerne les sources dont l'énergie dépasse 56 TeV, on y trouve 9 sources, et la seconde se focalise sur les sources qui dépassent une énergie de 100 TeV, cette dernière ne contient que 3 sources. Ces nouvelles sources vont aider à mieux comprendre l'origine de ces accélérateurs cosmiques. 
Toutes les sources de ce nouveau catalogue dédié aux très hautes énergies se trouvent dans notre galaxie selon les chercheurs. Et elles se situent toutes très près de puissants pulsars, ce qui permet de les lier à l'environnement des pulsars, selon les astrophysiciens des particules.
Mais les deux sources de plus de 100 TeV les plus significatives, répertoriées  eHWC J1825-134 et eHWC J1907+063 montrent des spectres relativement "durs" (le flux diminuant lentement quand l'énergie augmente) et montrant que leur spectre s'étend bien au delà des derniers points mesurés. Leur origine pourrait être un type d'accélérateur cosmique que les spécialistes appelle un PeVatron, capable d'accélérer des protons et des électrons jusqu'au Peta-élecronvolt (1015 eV). Ces deux sources devraient être suivies de près dans le futur, y compris à d'autres longueurs d'ondes pour comprendre ce qui se cache derrière.

En attendant, les chercheurs de la collaboration HAWC s'attendent à détecter encore plus de sources gamma de haute énergie dans les années qui viennent grâce à une amélioration de la sensibilité de leur multidétecteur déjà très performant.


Source

Multiple Galactic Sources with Emission Above 56 TeV Detected by HAWC
A. U. Abeysekara et al. (HAWC Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 124  (15 January 2020)


Illustrations

1) L'observatoire HAWC (Collaboration HAWC)

2) Cartographies des 9 sources de plus de 56 TeV détectées par HAWC, toutes situées dans le plan galactique (A. U. Abeysekara et al.)

3) Spectres en énergie des trois sources de plus de TeV, comparés à celui du Crabe (A. U. Abeysekara et al.)