“Recherché spécifiquement des électrons de haute énergie”

Monde de la physique : Le système de télescopes HESS est situé dans les hauts plateaux de Khomas en Namibie et se compose de cinq grands télescopes. Qu’étudient les astronomes avec l’observatoire ?

Katrin Egberts : HESS n’est pas un télescope optique ordinaire que l’on peut utiliser pour photographier des galaxies ou des étoiles lointaines. Vous pouvez l’utiliser pour rechercher des traces de particules de rayons cosmiques à haute énergie. Lorsque ces particules frappent les couches supérieures de l’atmosphère, elles créent ce qu’on appelle des gerbes d’air. Ceux-ci sont constitués de nombreuses particules secondaires générées par l’impact des particules. Cela crée également un bref éclair de lumière dans l’atmosphère, qui peut être détecté pendant les nuits sombres avec un système de télescope comme HESS. Nous n’observons donc pas des étoiles lointaines avec nos télescopes, mais plutôt l’atmosphère terrestre afin d’en apprendre davantage sur le cosmos. De tels systèmes de télescopes sont également appelés télescopes Tchérenkov du nom du découvreur de ces éclairs lumineux.

Les rayons cosmiques sont constitués de particules de haute énergie, telles que des électrons ou des noyaux atomiques. Quelles particules examinez-vous avec HESS ?

Normalement, nous nous intéressons au rayonnement gamma, c’est-à-dire aux photons de très haute énergie. Les photons proviennent de sources cosmiques extrêmes, tout comme les autres particules du rayonnement cosmique, c’est-à-dire les protons de haute énergie, les noyaux atomiques, les électrons ou les positons, qui sont les antiparticules des électrons chargées positivement. Ces sources comprennent les restes de supernovae, de pulsars ou les disques d’accrétion de trous noirs.

Pourquoi êtes-vous particulièrement intéressé par le rayonnement gamma ?

Un rayonnement cosmique de haute énergie frappe l’atmosphère terrestre dans toutes les directions possibles. En effet, les particules chargées telles que les protons, les électrons ou les positrons sont déviées par les champs magnétiques galactiques. Il n’est donc pas possible de déterminer leur direction d’origine. Seuls les rayons gamma nous parviennent directement de leur source. Cela leur permet de nous dire quelque chose sur les processus qui se déroulent à leur lieu d’origine – par exemple la puissance des champs magnétiques ou l’activité de la source.

Mais les rayons gamma n’étaient pas pertinents pour vos observations actuelles ?

Non, nous avons maintenant examiné une autre partie des rayons cosmiques. Pour étudier le rayonnement gamma, on regarde de près en direction des sources. Pour la nouvelle analyse, nous avons plutôt examiné les rayons cosmiques loin des sources connues. Nous ne nous attendons pas à un rayonnement gamma significatif provenant de ces directions. Au lieu de cela, les rayons cosmiques provenant de ces directions sont constitués en grande partie de protons et de quelques noyaux atomiques lourds. Cependant, il est également constitué, dans une faible mesure, d’électrons légers et de positons. Nous les avons maintenant spécifiquement recherchés.

Quelle a été la difficulté de détecter ces particules ?

À des énergies très élevées, de l’ordre du téraélectron-volt, il y a environ 1 000 protons par électron ou positron. Et à des énergies encore plus élevées, le rapport devient encore pire. Vous avez donc besoin d’une technique d’analyse très sophistiquée pour séparer les électrons et les positrons des protons dans les données. Notre équipe a maintenant très bien réussi à le faire, de sorte que dans notre étude, nous avons pu pour la première fois évaluer statistiquement clairement la dépendance énergétique des électrons dans les rayons cosmiques. Nous avons découvert les électrons les plus énergétiques jamais mesurés dans les rayons cosmiques : ils avaient une énergie allant jusqu’à 40 téraélectrons volts. Cela correspond à environ 40 000 milliards de fois l’énergie des particules lumineuses ordinaires.

Que peut-on découvrir des résultats sur les sources possibles de ces électrons ?

Nous ne voyons aucune preuve particulière de sources de haute énergie dans notre voisinage galactique dans le rayonnement électronique. Mais les électrons ne peuvent pas venir de trop loin. Contrairement aux protons, les électrons légers et les positons perdent leur énergie relativement rapidement lors de collisions dans le milieu interstellaire mince. Ils viennent donc d’une distance de quelques centaines à mille années-lumière. Il doit donc y avoir des sources à cette distance qui amènent les électrons à une énergie aussi élevée. Cependant, nous ne pouvons pas identifier les sources individuelles dans les données.