Monde de la physique : accélérateurs de particules cosmiques

Des particules de haute énergie venues de l’espace bombardent constamment l’atmosphère terrestre. Mais d’où viennent-elles ? La réponse à cette question semble désormais bien plus précise : une grande partie de ce rayonnement cosmique provient apparemment de ce que l’on appelle les microquasars. Ce sont des systèmes binaires proches constitués d’un trou noir ou d’une étoile à neutrons et d’une grande étoile gonflée. C’est ce que montrent les observations du microquasar SS 433, situé à environ 18 000 années-lumière, avec le système de télescope HESS en Namibie, comme le rapportent les scientifiques dans la revue « Science ».

Les quasars sont des trous noirs supermassifs situés au centre des galaxies qui brillent brillamment en raison du gaz entrant en provenance de la zone environnante. Le gaz n’y tombe pas directement, mais forme plutôt un disque chaud en rotation autour du trou noir. Alors que la matière de ce disque continue de circuler vers le trou noir, les puissants champs magnétiques de l’objet redirigent une partie de la matière et la concentrent en « jets » : des faisceaux de particules de haute énergie qui s’étendent sur des dizaines de milliers d’années-lumière dans l’espace. À la fin des années 1970, les astronomes ont découvert une sorte de version miniature d’un tel objet dans la Voie lactée : le microquasar SS 433, composé d’un objet compact – vraisemblablement un trou noir – et d’une étoile. Le gaz circule également autour du système et des jets de matière rayonnent également dans l’espace, même si ceux-ci n’atteignent que quelques centaines d’années-lumière.

Laura Olivera-Nieto de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg et ses collègues, dans le cadre d’une collaboration internationale avec les cinq télescopes spéciaux de l’observatoire HESS, ont désormais jeté leur dévolu sur ces jets. Les instruments enregistrent le rayonnement Tchérenkov, qui se produit lorsqu’un rayonnement de haute énergie – qui ne peut être détecté même depuis le sol – pénètre dans l’atmosphère. Il s’est avéré que les jets du SS 433 produisent un rayonnement gamma avec des énergies supérieures à un téraélectron-volt, soit plus de mille fois l’énergie du rayonnement gamma, tel que celui utilisé en médecine. Selon les chercheurs, ce rayonnement doit être généré par des électrons de haute énergie avec plus de 200 téraélectrons volts.

Comment les électrons obtiennent-ils leur haute énergie ?

Cependant, dans les jets de matière émanant de l’objet compact du SS 433, l’énergie cinétique des électrons est un million de fois inférieure, soit un peu moins de 20 kiloélectrons-volts. Alors d’où vient la haute énergie des particules ? Pour répondre à cette question, l’équipe a analysé comment le rayonnement gamma est distribué spatialement et quelles énergies sont représentées où. Cela les a conduits à la solution : apparemment, les jets de matière rencontrent un gaz plus dense à environ 80 à 100 années-lumière du trou noir. Des ondes de choc s’y forment et pénètrent dans le gaz à grande vitesse.

Dans de telles ondes de choc, les particules chargées électriquement – ​​comme les électrons – peuvent absorber d’énormes quantités d’énergie et produire ensuite le rayonnement gamma observé. Mais cela ne s’applique pas uniquement aux électrons : les jets contiennent également des protons et des noyaux atomiques plus lourds, qui peuvent également absorber beaucoup d’énergie dans les ondes de choc. Cela signifie que des microquasars comme SS 433 pourraient être la source de particules de haute énergie du rayonnement cosmique, dont les chercheurs se demandent depuis longtemps l’origine.

Cependant, les mesures sur SS 433 montrent seulement de manière générale que les rayons cosmiques observés sur Terre peuvent provenir de microquasars – ils ne proviennent pas de SS 433 lui-même, comme le souligne l’équipe. A environ 10 000 ans, le microquasar est trop jeune : les particules accélérées dans les jets ne peuvent pas encore avoir atteint la Terre. Mais de nombreux objets similaires sont désormais connus : par exemple, le microquasar V4641 Sagittarii, qui se trouve à 1 500 années-lumière. Il est le plus proche de la Terre et constitue une source possible de particules à haute énergie. Ce microquasar ainsi que d’autres seront maintenant examinés plus en détail.