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Nouvelles scientifiques

 

Paris, le 19 décembre 2006

 

L'expérience Hess découvre une horloge cosmique

 

Les chercheurs du CNRS (IN2P3(1) et Insu(2)) et du CEA-DSM/Dapnia(3), dans le cadre de la collaboration internationale Hess, viennent d'annoncer la découverte d'une émission périodique de photons gamma de très haute énergie en provenance d'un système binaire, appelé LS 5039, constitué d'une étoile bleue massive (20 fois plus lourde que le Soleil) autour de laquelle gravite un objet compact encore non identifié qui pourrait être un trou noir galactique. C'est le signal périodique d'énergie la plus élevée jamais détectée, près de 100 000 fois supérieure à celle des signaux détectés jusqu’à présent. Cette découverte, qui a fait l’objet d’une publication récente dans le journal Astronomy & Astrophysics, permet de mieux localiser la source de rayonnement gamma dans l'environnement de LS 5039 et ouvre la voie à une meilleure compréhension de la dynamique de tels systèmes binaires.

 

C’est une première. Une horloge orbitale en rayons gamma vient d’être découverte dans notre galaxie grâce à l’expérience Hess, qui a détecté une émission périodique de rayons gamma de très haute énergie en provenance du système binaire LS 5039.
Dans notre galaxie, plus de 80% des étoiles sont membres de systèmes multiples (doubles, triples, ...) constitués de plusieurs étoiles en orbite les unes autour des autres. Les étoiles isolées, tel le Soleil, sont une minorité. Le système LS 5039 (voir la figure ci-contre) est constitué d'une étoile bleue massive autour de laquelle gravite un objet compact encore mal connu, qui pourrait être un trou noir galactique.
Ces deux astres sont en orbite très serrée, leur distance variant entre 2 et 4 fois le rayon de l'étoile (environ un dixième de la distance Terre-Soleil) avec une période de révolution de 3,9 jours, confirmée par Hess avec une précision inférieure à 0,04%.

Le système binaire LS 5039

© Collaboration Hess

L'équipe de Hess a mis en évidence une émission gamma périodique, dont l'intensité est maximale lorsque l'objet compact est en avant de l'étoile et minimale, mais non nulle, lorsqu'il est en arrière (figure ci-après). De plus, la distribution énergétique des rayons gamma varie fortement au cours de l'orbite, avec notamment un excès de rayons gamma de haute énergie dans l'état de haute intensité.

Cette émission gamma trouverait son origine dans l'interaction violente entre l'objet compact et le vent stellaire (un flux de particules accélérées dans l'atmosphère de l'étoile et responsable, dans le cas du Soleil, des orages magnétiques et des aurores boréales observées sur Terre). L'objet compact, en parcourant son orbite, agirait ainsi comme une sonde de l'environnement électromagnétique de l'étoile : l'intensité du vent stellaire, le rayonnement optique et ultraviolet de l'étoile et le champ magnétique changent en fonction de la distance à l'étoile, ce qui influence le processus d'accélération de particules près de l'objet compact. Cette découverte montre également que l'accélération de particules responsables de l'émission a lieu à petite distance de l'étoile, distance similaire à la distance Terre-Soleil.

En outre, un effet géométrique rajoute une modulation au flux des rayons gamma observé depuis la Terre. On sait depuis Einstein et la célèbre formule de l'équivalence matière-énergie (E=mc2) que des paires de particules-antiparticules peuvent s'annihiler mutuellement pour donner de la lumière. Symétriquement, quand les rayons gamma très énergétiques rencontrent la lumière de l'étoile massive, ils peuvent être convertis en matière (une paire électron-positon dans ce cas). Ainsi, la lumière de l'étoile agit comme un brouillard pour les rayons gamma, les absorbant quand leur source - l'objet compact – est en arrière de l'étoile et alors partiellement éclipsée.

La modulation observée par Hess trouverait alors son origine à la fois dans une modulation, le long de l'orbite, des processus d'accélération de particules (et de production de rayons gamma) et dans l'effet géométrique dû au "brouillard".

Grâce à la précision des mesures obtenues par la collaboration Hess, la découverte de cette horloge orbitale ouvre la voie à une meilleure compréhension de l'environnement des trous noirs, étoiles à neutrons, et plus généralement des sites d'accélération de particules dans l'Univers.

 

Modulation de l'émission de LS 5039 le long de son orbite
Les mesures obtenues par Hess (chaque point noir intègre un temps de pose d'une demi-heure) sont distribuées selon une sinusoïde (courbe en rouge) au cours de la période orbitale (dont deux phases sont représentées).

© Collaboration Hess

 

filet

Rayons gamma – Le rayonnement gamma est constitué de photons, comme la lumière visible ou le rayonnement X, mais il est beaucoup plus énergétique. La lumière visible a une énergie de l’ordre de un électron-volt (1 eV). Les rayons X ont une énergie de mille à un million d’eV. Hess détecte des rayons gamma de très haute énergie, atteignant un million de millions d’eV (Tera-électron-volt). Ces gamma de très haute énergie sont peu nombreux : même pour une source astrophysique relativement intense, le flux de photons gamma pénétrant dans l’atmosphère est d’environ un par mois et par mètre-carré.

filet

 

La collaboration Hess
Les télescopes Hess (High energy stereoscopic system, système stéréoscopique de haute énergie) sont le résultat de plusieurs années d'efforts par une collaboration internationale de plus de 100 scientifiques et ingénieurs en provenance d'Allemagne, France, Grande-Bretagne, Irlande, République tchèque, Arménie, Afrique du Sud et du pays hôte, la Namibie. L'instrument a été inauguré en septembre 2004 par le Premier ministre de Namibie, Theo-Ben Gurirab, et les premières observations ont déjà permis de nombreuses découvertes importantes, dont la première image astronomique résolue d'un reste de supernova en rayons gamma de haute énergie. La France participe à son financement à hauteur d'un tiers.

Le détecteur
L'expérience Hess située en Namibie, dans le sud-ouest de l'Afrique, utilise quatre télescopes de 13 m de diamètre qui forment actuellement le détecteur de gamma de très haute énergie le plus sensible au monde. Les rayons gamma qui pénètrent dans l'atmosphère génèrent une cascade de particules. Ces particules émettent un flash de lumière bleue peu intense, appelée lumière Cherenkov et ne durant que quelques milliardièmes de seconde. Cette lumière est réfléchie par des miroirs de 107 m2 puis enregistrée par des caméras ultra-sensibles. Chaque image permet de calculer l'énergie et la direction d'arrivée dans le ciel d'un photon gamma. Cette direction correspondant à une position sur la sphère céleste, Hess peut ainsi cartographier les objets célestes émettant un rayonnement gamma de haute énergie.

Projet à venir
Les chercheurs impliqués dans Hess poursuivent l’amélioration du système de télescopes installé en Namibie. La construction d'un télescope central de plus de 30 m de diamètre est en cours, avec la participation de nouvelles équipes européennes comme celle de la Pologne. Ce dispositif plus performant, appelé Hess-II, sera plus sensible et couvrira une gamme d'énergie plus large permettant ainsi aux chercheurs de Hess d'augmenter le catalogue des sources et de faire de nouvelles découvertes.

 

(1) IN2P3 : Institut national de physique nucléaire et de physique des particules
(2) Insu : Institut national des sciences de l'Univers
(3) DSM : Direction des sciences de la matière
Dapnia : Département d'astrophysique, de physique des particules, de physique nucléaire et de l'instrumentation associée

 

Laboratoires français de la collaboration

  • Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR ; IN2P3-CNRS, École polytechnique)
  • Laboratoire de physique nucléaire et hautes énergies (LPNHE ; IN2P3-CNRS, Universités de Paris 6 et 7)
  • Laboratoire Astroparticules et cosmologie (APC ; IN2P3-CNRS, Université de Paris 7)
  • Laboratoire de physique théorique et astroparticules (LPTA ; IN2P3-CNRS, Université de Montpellier 2)
  • Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (Lapp ; IN2P3-CNRS, Université de Savoie)
  • Centre d'étude spatiale des rayonnements (CESR ; Insu-CNRS, Université de Toulouse 3)
  • Laboratoire d'astrophysique de l'Observatoire de Grenoble (LAOG ; Insu-CNRS, Université de Grenoble 1)
  • Laboratoire de l'Univers et de ses théories (LUTH ; Insu-CNRS, Observatoire de Paris, Université de Paris 7)
  • Département d’astrophysique, de physique des particules, de physique nucléaire et de l’instrumentation associée, Dapnia/SAp Saclay (CEA)

Pour en savoir plus

Contact chercheur

  • Mathieu de Naurois, Tél : 01 44 27 23 24
  • Guillaume Dubus, Tél : 04 76 63 55 19
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