L’astronomie moderne s’est accrochée à la croyance selon laquelle les jets ou jets relativistes, responsables de l’existence de rayonnements électromagnétiques d’énergies particulièrement élevées, sont situés dans les noyaux de galaxies actives éloignées de la Terre. Cependant, une image différente de la réalité émerge des dernières données de l’observatoire HAWC : les jets lancés par des sources astrophysiques depuis notre propre « arrière-cour » intragalactique sont également des sources de photons gamma d’une énergie extrêmement élevée.
Un rayonnement électromagnétique d’énergies extrêmement élevées est produit non seulement par les jets lancés à partir de noyaux actifs de galaxies lointaines, mais également par les objets lanceurs de jets se trouvant dans la Voie lactée, appelés microquasars. Cette dernière découverte réalisée par des scientifiques de l’Observatoire international de rayons gamma Cherenkov dans les eaux à haute altitude (HAWC) change radicalement la compréhension antérieure des mécanismes responsables de la formation du rayonnement cosmique à ultra haute énergie et marque en pratique une révolution dans son étude ultérieure. .
Depuis la découverte du rayonnement cosmique par Victor Hess en 1912, les astronomes croient que les corps célestes responsables dans notre galaxie de l’accélération de ces particules jusqu’aux plus hautes énergies sont les restes de gigantesques explosions de supernova, appelés restes de supernova.
Cependant, les dernières données de l’observatoire HAWC donnent une image différente : les sources de rayonnement d’énergies extrêmement élevées s’avèrent être des microquasars. Les astrophysiciens de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie ont joué un rôle clé dans cette découverte.
L’étude est publié dans la revue Nature.
L’observatoire HAWC a été érigé sur le versant du volcan Sierra Negra au Mexique dans le but d’enregistrer les particules et les photons arrivant de l’espace à des énergies particulièrement élevées. L’installation se compose de 300 réservoirs d’eau en acier équipés de photomultiplicateurs sensibles aux éclairs fugaces de lumière, connus sous le nom de rayonnement Tchérenkov. Cela apparaît dans le réservoir lorsqu’une particule se déplaçant plus rapidement que la vitesse de la lumière dans l’eau y tombe.
En règle générale, le HAWC capture des photons gamma avec des énergies allant de centaines de gigaélectronvolts à des centaines de téraélectronvolts. Il s’agit d’énergies jusqu’à un billion de fois supérieures à l’énergie des photons de la lumière visible et plus d’une douzaine de fois supérieures à l’énergie des protons accélérés par l’accélérateur du Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Les trous noirs supermassifs des quasars, c’est-à-dire les noyaux actifs de certaines galaxies (objets de masse énorme, se chiffrant en centaines de millions de masses solaires) accélèrent et absorbent la matière du disque d’accrétion qui les entoure. Au cours de ce processus, des flux de matière très étroits et très longs, appelés jets, sont projetés à proximité des pôles du trou noir, dans les deux directions le long de son axe de rotation. Ceux-ci se déplacent à des vitesses souvent proches de la vitesse de la lumière, provoquant des ondes de choc. C’est là que sont produits des photons d’énergies extrêmement élevées, pouvant atteindre des centaines de téraélectronvolts.
Situés dans les noyaux d’autres galaxies, les quasars font partie des objets très éloignés de nous. La plus proche (Markarian 231) se trouve à 600 millions d’années-lumière de la Terre. Ce n’est pas le cas des microquasars. Il s’agit de systèmes binaires compacts, constitués d’une étoile massive et de son trou noir absorbant la matière, qui émettent des jets d’une longueur de plusieurs centaines d’années-lumière. Plusieurs dizaines d’objets de ce type ont jusqu’à présent été découverts rien que dans notre galaxie.
« Les photons détectés par les microquasars ont généralement des énergies bien inférieures à ceux des quasars. Habituellement, on parle de valeurs de l’ordre de dizaines de gigaélectronvolts. Entre temps, nous avons observé quelque chose d’assez incroyable dans les données enregistrées par les détecteurs de l’observatoire HAWC : photons provenant d’un microquasar situé dans notre galaxie, et pourtant porteurs d’énergies des dizaines de milliers de fois supérieures à la normale », déclare le Dr Sabrina Casanova (FIJ PAN), qui, avec le Dr Xiaojie Wang de la Michigan Tech University et le Dr Dezhi Huang, de l’Université du Maryland, a été le premier à observer l’anomalie.
La source de photons avec des énergies allant jusqu’à 200 téraélectronvolts s’est avérée être le microquasar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr). Il se situe au fond de la constellation du Sagittaire, à environ 20 000 années-lumière de la Terre. Le rôle principal ici est joué par un trou noir d’une masse d’environ six masses solaires, attirant la matière du géant stellaire d’une masse trois fois supérieure à celle du soleil. Les objets orbitent autour d’un centre de masse commun, tournant l’un autour de l’autre une fois tous les trois jours.
Fait intéressant, le jet émis par le système V4641 Sgr est dirigé vers le système solaire. Dans cette configuration, un observateur terrestre a une perception relativiste et déformée du temps de la matière au début et à la fin du jet : son front commence à paraître plus jeune qu’il ne l’est en réalité. En conséquence, le jet semble se propager dans l’espace à une vitesse supraluminique, dans le cas présent jusqu’à neuf fois la vitesse de la lumière.
« De manière significative, le microquasar V4641 Sgr s’avère ne pas être unique. Entre-temps, des photons extrêmement énergétiques sont détectés non seulement à partir de celui-ci, mais également à partir d’autres microquasars, détectés par l’observatoire LHAASO. Il semble donc probable que les microquasars contribuent de manière significative au rayonnement des rayons cosmiques à les énergies les plus élevées de notre galaxie », ajoute le Dr Casanova.
La dernière découverte n’intéresse pas seulement les scientifiques spécialisés dans les rayons cosmiques. Cela prouve qu’à une distance relativement faible de la Terre, des mécanismes de formation de jets et de production de photons ultra-énergétiques doivent être à l’œuvre de manière analogue à ceux des noyaux de galaxies actives et lointaines, adaptés à la masse du trou noir. Ces processus dans les microquasars se produisent sur une échelle de temps beaucoup plus respectueuse pour l’homme : sur plusieurs jours et non sur des centaines de milliers ou des millions d’années.
De plus, les photons émis par les microquasars n’ont pas besoin de traverser les millions d’années-lumière du vide cosmique, où ils peuvent être diffusés ou absorbés lors d’interactions avec les photons du rayonnement de fond cosmique omniprésent. Tout cela signifie que les astrophysiciens ont, pour la première fois, acquis la capacité de faire des observations complètes et pratiquement intactes des processus cruciaux pour l’évolution des galaxies.
Plus d’informations :
R. Alfaro et al, Bulle de rayons gamma à ultra haute énergie autour du microquasar V4641 Sgr, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07995-9