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Communiqués de presse

 

Paris, le 2 novembre 2004

 

Astrophysique des particules
Hess : vers une résolution du mystère de l'origine des rayons cosmiques

 

Pour la première fois au monde, la cartographie en rayonnement gamma de haute énergie d’un vestige de supernovæ vient d’être établie par l’expérience Hess, "High Energy Stereoscopic System", indiquant qu’il s’agit bien d’un accélérateur cosmique de particules et donnant un indice fort quant à l’origine des rayons cosmiques (publiée dans la revue Nature du 4 novembre 2004). Fruit d’une collaboration internationale(1) à laquelle participent de nombreuses équipes françaises du CNRS (IN2P3 et Insu) et du CEA (Dapnia), Hess est une expérience dédiée à l'étude des rayonnements gamma les plus énergétiques de l'Univers, dont le site localisé en Namibie(2) permet d’observer le ciel austral, et notamment la plus grande partie de la Voie Lactée, dont le centre galactique. Les premières observations du centre galactique ont été publiées en octobre dans la revue Astronomy and Astrophysics dont elles ont fait la couverture.

 

La Terre est bombardée par une pluie dense et continue de particules, les rayons cosmiques, constitués très majoritairement de protons ou autres noyaux, d’une petite quantité d’électrons et encore moins de rayons gamma, et dont le spectre en énergie s’étend à des énergies très élevées. Bien que découverts dès 1913 par le physicien autrichien Victor Hess, ce qui lui a valu le prix Nobel en 1936, le mystère de leurs origines reste entier. Dans leur immense majorité, les particules composant ce rayonnement ont en effet une charge électrique et sont donc constamment déviées par les champs magnétiques irréguliers de la Voie Lactée, si bien qu’on ne peut pas déterminer leur provenance à leur arrivée sur Terre. Seuls les photons gamma produits par ces rayons cosmiques, qui se propagent en ligne droite, permettent de remonter aux sources. Aux très hautes énergies (supérieures à 100 milliards d’eV)(3), leur flux est cependant trop faible pour être mesuré par les surfaces de détection réduites qu’il est possible d’embarquer sur satellite et il faut donc avoir recours à une détection indirecte à partir du sol (voir encadré).

On sait depuis longtemps que tout phénomène violent produisant des ondes de choc peut accélérer des protons ou des électrons à très haute énergie, ceux-ci interagissant alors avec la matière ou le rayonnement environnant pour produire des photons gamma de très haute énergie. Mais quels sont ces accélérateurs cosmiques et quels sont ceux qui accélèrent des protons ? Là est toute la question. Car il faut identifier des sites d’accélération de protons pour expliquer la présence majoritaire de ces particules dans les rayons cosmiques. Les meilleurs candidats semblent être aujourd’hui les vestiges de supernovæ (explosion d’étoiles en fin de vie).

L’observation récente de l’expérience internationale Hess d’un vestige de supernova publiée dans la revue Nature établit, pour la première fois au monde, que les vestiges de supernovæ sont bien des accélérateurs de rayons cosmiques chargés (électrons ou protons). Jusqu’à présent, on n'en avait établi que des preuves indirectes par le rayonnement synchrotron(4) d’électrons, observé en radio ou rayons X. Cette observation concerne le vestige de la supernova RXJ 1713-3946, qui a été découvert en 1996 par le satellite Rosat en rayons X et observé depuis par les satellites Asca (Japon) et XMM-Newton (Agence Spatiale Européenne), toujours dans le domaine X, et dont la distance a été récemment évaluée à environ 3 000 années-lumière. Or, la carte obtenue par Hess, qui est la première d’un objet étendu en rayon gamma de haute énergie, se superpose remarquablement aux cartes en rayons X (voir la cartographie Hess/Asca). Il se pourrait donc que cet accélérateur cosmique soit un site d’accélération de protons. Des études sont en cours qui devraient permettre de le préciser.

Une autre observation prioritaire de Hess a été le centre de la Voie Lactée, présentée dans la revue Astronomy and Astrophysics. Celui-ci contient en effet plusieurs sources potentielles de particules de haute énergie : un trou noir supermassif, des vestiges d'anciennes supernovæ et peut-être une concentration de matière noire sous la forme de particules inconnues. Les télescopes de Hess y ont détecté des photons gamma de très haute énergie jusqu'à dix mille milliards d'électrons-Volts. Si ce signal était dû à l'annihilation de particules de matière noire, ces dernières devraient avoir des masses particulièrement élevées pour produire un tel rayonnement. Des mécanismes d’accélération par le trou noir situé au centre de la galaxie ou par les vestiges de supernovae (comme celui qui a fait l’objet de la publication de Nature) semblent donc plus vraisemblables.

Ces premiers résultats montrent que Hess a atteint un niveau de sensibilité inégalé qui va lui permettre de recenser les principales sources de rayons cosmiques, y compris celles qui n'ont pas été identifiées à d'autres longueurs d'onde. Une source de ce type a en effet été découverte fortuitement par Hess dans le champ de vue d'un pulsar(5) qui était l'objet initialement étudié. On peut donc s'attendre dans les années qui viennent à un profond renouvellement des questions posées depuis près d'un siècle par les rayons cosmiques.

L’inauguration officielle de Hess a eu lieu le 28 septembre 2004(6). L’industrie namibienne a participé pleinement à la construction de Hess et des ingénieurs et techniciens namibiens participent à l’exploitation des télescopes. Prochainement sera créé un laboratoire international associant le Max Planck Institut, l'Université de Namibie et le CNRS.

 

La détection au sol du rayonnement gamma par l’expérience Hess

Les photons gamma cosmiques n’arrivent pas jusqu’au sol. Ils interagissent dans la haute atmosphère produisant une cascade d'électrons positifs et négatifs très énergétiques. Ces derniers émettent alors (par effet Cherenkov) un très bref éclair de lumière visible (quelques milliardièmes de seconde) qui peut être détecté au moyen d'un télescope. Les "télescopes à effet Cherenkov atmosphérique" de Hess, dont le plan focal est équipé d’une caméra comportant un millier de photodétecteurs rapides(7), permettent la détection de photons de cent à mille milliards de fois plus énergétiques qu'un photon de lumière visible.
Reste une difficulté de taille : les photons gamma sont en effet comme "une aiguille dans une botte de foin" parmi les rayons cosmiques dont les autres particules produisent, elles aussi, des signaux analogues dans l’atmosphère. Il est toutefois possible de les distinguer, et c’est heureux, par les différences de morphologie tridimensionnelle des cascades d’électrons qu’ils produisent. Pour faire cette distinction, l’expérience Hess regarde le phénomène simultanément sous quatre angles différents grâce à ses quatre télescopes.

 

(1) Laboratoires de France, d'Allemagne, du Royaume-Uni et d'Afrique australe, ainsi que d’autres pays européens.
(2) Situé sur le tropique du Capricorne à 1800 mètres d’altitude.
(3) Le rayonnement gamma est constitué de photons d'énergies supérieures à 100000 eV. Les photons gamma détectés par Hess appartiennent à la partie haute de cette gamme (au moins 100 milliards d'électrons-Volts).
(4) Le rayonnement synchrotron désigne le rayonnement émis par les électrons quand ils sont déviés par un champ magnétique.
(5) Un pulsar a une masse de l’ordre de celle du soleil contenue dans un rayon de l’ordre de 10 km ce qui lui confère une densité de l’ordre d’un noyau atomique.
(6) En présence de T. Gurirab, Premier Ministre Namibien, et, du côté français, de E. Giacobino, directrice de la Recherche au ministère, et de M. Spiro, directeur de l’IN2P3.
(7) Pour comparaison, le détecteur analogue de l'observatoire américain Fred Whipple (Mont Hopkins, Arizona), pionnier dans cette technique, a commencé avec 37 photodétecteurs dans les années 1980 (490 aujourd'hui) et le télescope français CAT en comportait 546.

 

© Hess - Nature 4 novembre 2004
Cartographie en rayons gamma du vestige de supernovae RX J 1713-3946. Les contours correspondent à l’observation du satellite ASCA en rayons X.
© Collaboration Hess -
Images fournies par les quatre télescopes de Hess. d'une même cascade de particules produite dans l'atmosphère par le photon gamma initial dans la haute atmosphère (à environ 10 km de la Terre).

 

Laboratoires français de la collaboration

  • Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR ; IN2P3-CNRS et École polytechnique)
  • Laboratoire physique nucléaire et hautes énergies (LPNHE ; IN2P3-CNRS, Universités de Paris 6 et 7)
  • Laboratoire de physique corpusculaire et cosmologie du Collège de France (PCC ; IN2P3-CNRS, Collège de France et Université de Paris 7)
  • Groupe d'astroparticules de Montpellier (GAM ; IN2P3-CNRS et Université de Montpellier 2)
  • Centre d'étude spatiale des rayonnements (CESR ; Insu-CNRS et Université de Toulouse 3)
  • Laboratoire d'astro-physique de Grenoble (LAOG ; Insu-CNRS et Université de Grenoble 1)
  • Laboratoire de l'Univers et de ses théories (LUTH ; Insu-CNRS, Observatoire de Paris et Université de Paris 7)
  • Service d’astrophysique, DAPNIA/SAp Saclay (CEA)

Références

Sites Internet

Images

Historique du projet Hess

 

Contact chercheur

  • Bernard Degrange, Tél : 01 69 33 31 05 / 01 69 33 44 05

Contact communication

  • IN2P3 : Dominique Armand, Tél : 01 44 96 47 50
  • Insu : Philippe Chauvin, Tél : 01 44 96 43 36

Contact presse

  • CEA : Alexandra Bender, Tél : 01 40 56 17 16
  • CNRS : Magali Sarazin, Tél : 01 44 96 46 06
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