ASTROPARTICULES

L'astronomie des rayons gamma et des neutrinos de haute énergie

Au cours des années 1990, des résultats considérables ont été obtenus en astronomie des rayons gamma de haute énergie, grâce aux nombreuses recherches de sources de rayons cosmiques. Parmi les particules de charge électrique nulle qui permettent de remonter à leur source en examinant leur direction d'incidence, les rayons gamma constituent le meilleur traceur, malgré leur faible flux (environ 1 cent millième du flux total de rayonnement cosmique). Les neutrons présentent en effet le handicap d'un temps de vie limité et les neutrinos d'un taux d'interaction très faible. La partie basse (inférieure à 20 gigaélectronvolts) du très large spectre en énergie des émissions gamma a été étudiée par la mission spatiale Compton Gamma Ray Observatory et plus particulièrement par son instrument E.G.R.E.T. (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) : 300 sources environ ont été recensées. La partie haute de ce spectre (énergies supérieures au téraélectronvolt, c'est-à-dire à 10¹² électronvolts) est scrutée par des instruments au sol au moyen de miroirs de très grande surface qui captent le rayonnement Tcherenkov développé par les gerbes hadroniques et électromagnétiques dans l'atmosphère.

À l'échelle galactique, les restes de supernovae propulsés par l'onde de choc de l'explosion accélèrent protons et noyaux, qui interagissent en produisant des mésons π⁰ qui se désintègrent en rayons gamma. Certains de ces restes contiennent en leur centre un pulsar actif qui injecte des électrons dans la nébuleuse qui l'entoure, donnant lieu à une émission synchrotron. Les rayons gamma émis à des énergies de l'ordre du téraélectronvolt, insoupçonnés, ont été observés par les détecteurs Tcherenkov au sol. La source de la nébuleuse du Crabe, la première découverte, est maintenant utilisée comme référence d'étalonnage pour tout nouveau détecteur.

La détection de sources extragalactiques a donné lieu à l'observation de phénomènes totalement inattendus. Une soixantaine de ces sources ont été détectées par E.G.R.E.T., et deux d'entre elles, Markarian 421 et Markarian 501, ont été mises en évidence à haute énergie par les détecteurs au sol. Markarian 501 a présenté en 1997 des bouffées de forte intensité dans les domaines X et gamma. Les sources ont pour origine des phénomènes dans des galaxies dites à noyau actif où un trou noir central supermassif (1 milliard de masses solaires) avale la matière du disque d'accrétion et engendre deux jets relativistes de plasma perpendiculaires au disque. L'accélération de particules chargées au sein du jet produit l'émission de rayons gamma de haute énergie.

Au moins une fois par jour, une gigantesque bouffée appelée « sursaut gamma » domine pendant quelques instants les autres sources de rayonnement gamma dans l'Univers. Des observations couplant des détecteurs sur satellites et au sol ont mis en évidence des émissions associées (dans les domaines X, radio et optique) provenant de sources communes extragalactiques. Ces sursauts gamma trouvent leur origine dans des phénomènes cataclysmiques où l'énergie émise en quelques secondes surpasse celle que le Soleil émettra en totalité au cours de sa vie entière, estimée à dix milliards d'années. La part relative des différents signaux n'est pas encore clairement élucidée ; le modèle théorique de la « boule de feu » en expansion à des vitesses relativistes tente d'expliquer l'origine de l'apport soudain de telles énergies : coalescence d'un système binaire d'étoiles à neutrons en un trou noir, effondrement du noyau d'une étoile supermassive animée d'un mouvement de rotation rapide, une hypernova en somme. Les nouveaux sites[...]