Des électrons aux énergies record piègent les télescopes

Fig. 2 : Représentation artistique d’un pulsar avec son puissant champ magnétique tournant autour de lui. Les nuages de particules chargées se déplaçant le long des lignes de champ émettent des rayons gamma qui sont concentrés par les champs magnétiques, un peu comme les faisceaux lumineux d’un phare. Dans ces champs magnétiques, des paires de positrons et d’électrons sont créées et accélérées, faisant des pulsars des sources potentielles d’électrons et de positrons cosmiques à haute énergie. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Fig. 1 : Visualisation de la configuration du télescope H.E.S.S. pour la détection des cascades de particules produites par des électrons et positrons cosmiques de haute énergie, ainsi que par des rayons gamma. © MPIK/Collaboration H.E.S.S.

Fig. 3 : Spectre d'énergie des CRe. Les cercles rouges indiquent les candidats CRe mesurés par H.E.S.S.. La bande rouge foncé correspond à la loi de puissance brisée ajustée aux données, dont la largeur représente les erreurs statistiques des mesures. La bande bleu clair indique la plage estimée du flux réel de CRe, en tenant compte de la contamination par les CRn ainsi que des erreurs statistiques et systémiques.

Les scientifiques de la collaboration H.E.S.S., dont un consortium d'universités allemandes, l'Institut Max-Planck de physique nucléaire et le CNRS en France, ont récemment identifié les électrons et positrons les plus énergétiques jamais mesurés sur Terre. Ils apportent la preuve de processus cosmiques libérant d'énormes quantités d'énergie, dont l'origine reste inconnue. Ces résultats seront publiés le 25 novembre dans la revue Physical Review Letters.

L'univers regorge d'environnements extrêmes, allant des températures les plus froides aux sources les plus énergétiques. Des objets extrêmes tels que les restes de supernovae, les pulsars ou les noyaux actifs de galaxies peuvent produire des particules chargées et des rayons gamma dont l'énergie dépasse de plusieurs ordres de grandeur celles atteintes lors de processus thermiques comme la fusion nucléaire dans les étoiles.

Alors que la lumière gamma émise traverse le vide spatial sans obstacle, les particules chargées — aussi appelées rayonnement cosmique — sont déviées par les champs magnétiques omniprésents dans l'univers et atteignent la Terre de manière isotrope, c'est-à-dire de toutes les directions. De plus, ces particules chargées perdent de l'énergie lors de leurs interactions avec la lumière et les champs magnétiques. Ces pertes sont particulièrement importantes pour les électrons et positrons les plus énergétiques, avec des énergies supérieures au téraélectronvolt (1 TeV = 10^12 électronvolts), qui font partie du rayonnement cosmique (CRe). Leur détection sur Terre constitue donc une indication claire de l'existence d'accélérateurs cosmiques puissants à proximité de notre système solaire, même si leur origine précise dans l'espace ne peut pas être déterminée.

Cependant, la détection de ces particules très énergétiques est difficile : les télescopes spatiaux, avec une surface de détection d'environ un mètre carré, ne peuvent pas capter suffisamment ces particules rares. Les instruments au sol peuvent détecter les cascades de particules provoquées par l'impact des rayons cosmiques dans l'atmosphère terrestre, mais doivent faire face au défi de différencier les cascades provoquées par des électrons ou positrons de celles, beaucoup plus fréquentes, issues de noyaux plus lourds. En 2008, il a été pour la première fois possible d'identifier ces CRe dans les données du télescope Cherenkov H.E.S.S. basé au sol.

L'observatoire H.E.S.S. en Namibie utilise cinq grands télescopes atmosphériques de détection d'images pour capter la faible lumière Cherenkov produite par les particules et photons chargés qui traversent l'atmosphère de notre planète, générant ainsi une cascade de particules (voir Fig. 1). Bien que l'objectif principal de l'observatoire H.E.S.S. soit la détection, la sélection et la cartographie des sources de rayons gamma, ses données peuvent également être utilisées pour rechercher des électrons cosmiques.

Dans une nouvelle analyse présentée par des scientifiques de la collaboration H.E.S.S., de nouvelles connaissances sur l'origine de ces particules ont été acquises. Les astrophysiciens ont réanalysé le vaste ensemble de données collectées sur plus d'une décennie par quatre des télescopes H.E.S.S., en appliquant des algorithmes de sélection innovants et stricts pour identifier des électrons cosmiques avec un niveau de contamination de fond sans précédent. Cela a permis d'obtenir un ensemble de données statistiquement exceptionnel pour l'étude des électrons cosmiques. En particulier, ils ont pu, pour la première fois, obtenir des données CRe dans la gamme d'énergies la plus élevée, jusqu'à 40 TeV.

"Nous observons que le spectre d'énergie des CRe diminue doucement avec l'augmentation de l'énergie, mais qu'à environ 1 téraélectronvolt, le spectre devient soudainement beaucoup plus raide. Au-dessus comme en dessous de cette cassure, le spectre suit une loi de puissance et ne présente pas d'autres anomalies, contrairement à ce que prédisent de nombreux modèles d'accélération des CRe", remarque Mathieu de Naurois du laboratoire Leprince-Ringuet, École Polytechnique, CNRS, l'un des principaux auteurs de l'étude.

Les chercheurs ont toutefois constaté que la transition entre le spectre peu raide et le spectre fortement raide à environ 1 TeV est étonnamment nette.

« C'est un résultat important, car il nous permet de conclure que le rayonnement cosmique mesuré provient très probablement de quelques sources proches de notre système solaire, situées à une distance maximale de quelques milliers d'années-lumière — une distance très faible comparée à la taille de notre galaxie. Des émissions provenant de nombreuses sources à différentes distances auraient fortement dispersé ce signal », explique Kathrin Egberts de l'Université de Potsdam, une autre auteure principale de l'étude. « Grâce à notre analyse détaillée, nous avons pu, pour la première fois, restreindre fortement l'origine de ces électrons cosmiques. »

Le professeur Werner Hofmann, de l'Institut Max-Planck de physique nucléaire à Heidelberg, explique l'importance de cette nouvelle analyse pour la recherche astrophysique : « Les très faibles flux à haute énergie limitent fortement la capacité des missions spatiales à effectuer des mesures similaires. Notre analyse fournit désormais des données dans une gamme d'énergie cruciale et encore peu explorée, ce qui influence notre compréhension de l'environnement local. Elle sera donc probablement la référence dans ce domaine pour un avenir proche. »

L'observatoire H.E.S.S.

Les rayons gamma à haute énergie ne peuvent être observés depuis le sol qu'en utilisant une astuce : lorsqu’un rayon gamma pénètre dans l’atmosphère, il entre en collision avec des atomes et des molécules, provoquant la création de nouvelles particules qui, comme une avalanche, se propagent vers le sol. Ces particules émettent des éclairs de lumière, appelés rayonnement Cherenkov, qui ne durent que quelques milliardièmes de seconde (rayonnement Cherenkov) et peuvent être détectés par de grands télescopes spécialement équipés au sol. L’astronomie gamma à haute énergie exploite donc l’atmosphère comme un gigantesque écran lumineux. L’observatoire H.E.S.S., situé dans la région des Khomas-Hochland en Namibie à 1835 m d’altitude, a été mis en service en 2002. Il se compose d’un réseau de cinq télescopes : quatre d’entre eux, avec un miroir de 12 m de diamètre, sont disposés aux coins d’un carré, tandis qu’un cinquième, un télescope de 28 m, se trouve au centre. Grâce à cette configuration, il est possible de détecter des rayons gamma cosmiques dans une gamme d’énergie allant de quelques dizaines de gigaélectronvolts (GeV, 10^9 eV) à plusieurs dizaines de téraélectronvolts (TeV, 10^12 eV). À titre de comparaison, les particules de la lumière visible ont une énergie comprise entre deux et trois électronvolts. H.E.S.S. est actuellement le seul instrument capable d’observer le ciel austral dans le domaine des rayons gamma à haute énergie, et il constitue également le plus grand et le plus sensible de son genre.

Bibliographie :
Mesure à haute statistique du spectre des électrons du rayonnement cosmique avec H.E.S.S.
Collaboration H.E.S.S. Physical Review Letters, 25 novembre 2024.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.221001
arXiv : http://arxiv.org/abs/2411.08189