Les astronomes recherchent depuis longtemps les sites de lancement de certains des protons les plus énergétiques de notre galaxie. Maintenant, une étude utilisant 12 ans de données du télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA confirme qu’un vestige de supernova est exactement un tel endroit.
Fermi a montré que les ondes de choc des étoiles explosées propulsent les particules à des vitesses comparables à celle de la lumière. Appelées rayons cosmiques, ces particules prennent principalement la forme de protons, mais peuvent inclure des noyaux atomiques et des électrons. Parce qu’ils portent tous une charge électrique, leurs chemins se brouillent alors qu’ils traversent le champ magnétique de notre galaxie. Comme on ne sait plus de quelle direction ils sont originaires, cela masque leur lieu de naissance. Mais lorsque ces particules entrent en collision avec du gaz interstellaire près du résidu de supernova, elles produisent une lueur révélatrice dans les rayons gamma, la lumière la plus énergétique qui soit.
« Les théoriciens pensent que les protons des rayons cosmiques les plus énergétiques de la Voie lactée atteignent un million de milliards d’électrons-volts, ou énergies PeV », a déclaré Ke Fang, professeur adjoint de physique à l’Université du Wisconsin, à Madison. « La nature précise de leurs sources, que nous appelons PeVatrons, a été difficile à cerner. »
Piégées par des champs magnétiques chaotiques, les particules traversent à plusieurs reprises l’onde de choc de la supernova, gagnant en vitesse et en énergie à chaque passage. Finalement, le reste ne peut plus les retenir et ils s’envolent dans l’espace interstellaire.
Boostés à environ 10 fois l’énergie rassemblée par le plus puissant accélérateur de particules au monde, le Large Hadron Collider, les protons PeV sont sur le point de s’échapper complètement de notre galaxie.
Découvrez comment les astronomes ont localisé un vestige de supernova qui propulse des protons à des énergies 10 fois supérieures à celles du plus puissant accélérateur de particules sur Terre. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Les astronomes ont identifié quelques PeVatrons suspects, dont un au centre de notre galaxie. Naturellement, les restes de supernova sont en tête de liste des candidats. Pourtant, sur environ 300 vestiges connus, seuls quelques-uns émettent des rayons gamma avec des énergies suffisamment élevées.
Une épave d’étoile en particulier a suscité beaucoup d’attention de la part des astronomes gamma. Appelé G106.3 + 2.7, c’est un nuage en forme de comète situé à environ 2 600 années-lumière dans la constellation de Céphée. Un pulsar brillant coiffe l’extrémité nord du reste de la supernova, et les astronomes pensent que les deux objets se sont formés dans la même explosion.
Le télescope à grande surface de Fermi, son instrument principal, a détecté des rayons gamma d’un milliard d’électron-volts (GeV) provenant de l’intérieur de la queue étendue du reste. (À titre de comparaison, l’énergie de la lumière visible mesure entre environ 2 et 3 électron-volts.) Le système VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) de l’observatoire Fred Lawrence Whipple dans le sud de l’Arizona a enregistré des rayons gamma encore plus énergétiques provenant de la même région. Et l’observatoire Cherenkov Gamma-Ray de l’eau à haute altitude au Mexique et l’expérience AS-Gamma du Tibet en Chine ont détecté des photons d’une énergie de 100 000 milliards d’électron-volts (TeV) dans la zone sondée par Fermi et VERITAS.
« Cet objet suscite un intérêt considérable depuis un certain temps maintenant, mais pour le couronner en tant que PeVatron, nous devons prouver qu’il accélère les protons », a expliqué la co-auteure Henrike Fleischhack de l’Université catholique d’Amérique à Washington et de Goddard Space de la NASA. Centre de vol à Greenbelt, Maryland. « Le hic, c’est que des électrons accélérés à quelques centaines de TeV peuvent produire la même émission. Maintenant, avec l’aide de 12 ans de données de Fermi, nous pensons avoir démontré que G106.3+2.7 est bien un PeVatron. »
Un article détaillant les résultats, dirigé par Fang, a été publié le 10 août dans la revue Lettres d’examen physique.
Cette séquence compare les résultats de Fermi dans trois gammes d’énergie. Pulsar J2229+6114 est la source brillante au sommet, la pointe nord du reste de supernova G106.3+2.7 (encadré en vert). Dans chaque gamme d’énergie, la séquence montre d’abord le nombre de rayons gamma, puis les quantités en excès par rapport aux attentes d’un modèle de fond. Des couleurs plus vives indiquent un plus grand nombre de rayons gamma ou des quantités excessives. Aux énergies les plus élevées, une nouvelle source de rayons gamma apparaît, produite lorsque des protons accélérés par l’onde de choc de la supernova frappent un nuage de gaz à proximité. Crédit : NASA / Fermi / Fang et al. 2022
Le pulsar, J2229+6114, émet ses propres rayons gamma dans une balise semblable à un phare pendant qu’il tourne, et cette lueur domine la région à des énergies de quelques GeV. La majeure partie de cette émission se produit dans la première moitié de la rotation du pulsar. L’équipe a effectivement éteint le pulsar en analysant uniquement les rayons gamma provenant de la dernière partie du cycle. En dessous de 10 GeV, il n’y a pas d’émission significative de la queue du reste.
Au-dessus de cette énergie, l’interférence du pulsar est négligeable et la source supplémentaire devient facilement apparente. L’analyse détaillée de l’équipe favorise massivement les protons PeV comme particules à l’origine de cette émission de rayons gamma.
« Jusqu’à présent, G106.3 + 2.7 est unique, mais il pourrait s’avérer être le membre le plus brillant d’une nouvelle population de restes de supernova qui émettent des rayons gamma atteignant les énergies TeV », note Fang. « Plus d’entre eux pourraient être révélés grâce aux futures observations de Fermi et des observatoires de rayons gamma à très haute énergie. »
La NASA explore les mystères cosmiques – et ce puzzle particulier a nécessité plus d’une décennie d’observations de pointe pour être résolu.
Ke Fang et al, Evidence for PeV Proton Acceleration from Fermi-LAT Observations of SNR G106.3+2.7, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.071101