RAYONNEMENT COSMIQUE Rayons gamma cosmiques

Les rayons gamma cosmiques, photons les plus énergétiques du rayonnement électromagnétique, signent les événements les plus violents de l'Univers. Bloqués par les hautes couches de l'atmosphère terrestre, ils sont détectés presque exclusivement à bord de véhicules spatiaux. L'astronomie des rayons gamma couvre un immense domaine spectral qui s'étend de 0,01 MeV (MeV : mégaélectronvolt) – frontière arbitraire entre l'énergie des photons X et gamma – jusqu'à 10⁹ MeV, limite purement expérimentale tenant à l'extrême rareté des photons gamma d'ultra-haute énergie.

L'astronomie des rayons gamma de basse énergie (moins de quelques mégaélectronvolts) porte sur les processus émissifs actifs dans les milieux denses, comme les plasmas concentrés au voisinage des étoiles à neutrons et des trous noirs. Elle concerne aussi les sites cosmiques où des photons gamma mono-énergétiques sont produits soit par désexcitation de noyaux atomiques (les raies nucléaires), soit par annihilation des positons (la raie à 0,511 MeV). L'astronomie gamma à plus haute énergie étudie les phénomènes qui mettent en jeu les particules relativistes accélérées à proximité de certaines étoiles à neutrons, dans les puissants jets issus des noyaux actifs de galaxie comme dans tout le milieu interstellaire. Les astronomes mettent aussi à profit le pouvoir de pénétration des rayons gamma pour sonder les régions du ciel masquées à d'autres longueurs d'onde, comme le centre de notre Galaxie. À noter également l'aptitude de l'astronomie gamma à recueillir des informations sur les premiers temps de l'Univers, dans la mesure où le cosmos s'avère particulièrement transparent au rayonnement gamma (à l'exception du domaine des ultra-hautes énergies).

En raison de sa longueur d'onde très inférieure aux distances interatomiques, il n'est pas possible de concentrer le rayonnement gamma avec des miroirs, une pratique en usage dans tous les autres domaines spectraux pour accroître la surface collectrice. Opérer dans l'espace expose en outre les détecteurs aux rayons cosmiques, qui y suscitent l'émission de photons gamma parasites limitant sévèrement la sensibilité des observations. La découverte d'astres actifs dans le registre gamma exige de très longs temps de pose, d'autant plus qu'à puissance rayonnée égale les sources gamma cosmiques émettent beaucoup moins de photons puisque chacun d'eux emporte une plus grande quantité d'énergie. Ces contraintes expliquent l'essor tardif de l'astronomie gamma : les premiers résultats significatifs n'ont été obtenus qu'à partir de 1968, et l'exploration approfondie du ciel gamma ne débuta qu'à partir de l'ultime décennie du xx^e siècle, avec le télescope français S.I.G.M.A. (Système d'imagerie gamma à masque aléatoire) mis en service en 1990 à bord du satellite russe Granat – opérationnel jusqu'en septembre 1994 –, et les imposants détecteurs de l'observatoire américain à rayons gamma Compton Gamma-Ray Observatory (C.G.R.O.), mis en orbite en 1991 et dont la mission s'est achevée en 2000. Suivront ensuite, parmi les principaux observatoires spatiaux, BeppoSAX (1996-2002), le High Energy Transient Explorer-2 (H.E.T.E.-2, lancé en 2000), Integral (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory, lancé en 2002), Swift (lancé en 2004), principalement dédié à l'étude des sursauts gamma...

Les techniques d'observation des rayons gamma cosmiques

La détection des rayons gamma cosmiques passe par leur interaction avec les atomes du milieu détecteur. Un photon gamma de très basse énergie (moins de 0,2 MeV) y est le plus souvent absorbé (effet photoélectrique), avec émission d'un électron emportant l'essentiel de son énergie.[...]