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L’Astronomie des rayons gamma

Appliquer le savoir de la physique nucléaire et des particules élémentaires aux problèmes de l’astrophysique, ou, inversement, utiliser des observations cosmiques pour éclaircir des énigmes sur les fondements de la matière : tel est le but du mariage de deux domaines qu’on appelle "astroparticules".

Des différents aspects du domaine, au CENBG nous nous concentrons sur l’astronomie des rayons gamma, du GeV au TeV.

La Terre est bombardée par une pluie continue de particules très énergétiques, les rayons cosmiques, majoritairement composés de protons et de noyaux. Nous approfondissons notre connaissance des objets célestes qui accélèrent ces particules. Les protons et noyaux eux-mêmes sont des particules chargées, et donc constamment déviés par les champs magnétiques galactiques, et ne fournissent en conséquence aucune information sur leur point de départ lors de leur détection sur Terre. L’un des rares messagers exploitables sont les photons gamma produits par ces particules chargées de haute énergie. Ces rayons gamma se propagent en ligne droite et nous permettent de remonter à leur source.

L’Astronomie gamma permet donc de étudier les accélérateurs cosmiques.

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Le ciel vu par {Fermi} (6 ans de données, >1 GeV)

Il existe deux techniques de détection des photons gamma :

1) Par satellite : ainsi Fermi détecte les photons gammas d’énergie comprise entre 30 MeV et 300 GeV, depuis son lancement en juin 2008.

2) Au sol : aux très hautes énergies, les photons gamma sont détectés par des appareillages au sol qui offrent de grandes surfaces de détection. Ils enregistrent un ’flash’ de quelques nanosecondes de lumière Tcherenkov émis par la cascade d’électrons qu’ils créent dans l’atmosphère. H.E.S.S. est notre outil principal. Nous préparons l’avenir avec CTA et avons réalisé CELESTE au siècle dernier.

Dans les années 1970, seules 4 sources gamma étaient connues. Dans les années 90, le détecteur EGRET dénombra 271 sources gamma. Avec son troisème catalog 3FGL, publié en 2015, Fermi a fourni une vaste pléïade de 3033 sources.

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Les sources détectées avec {Fermi} (3FGL, 4 ans de données)

Notre recherche au CENBG se centre sur les accélérateurs cosmiques suivants :

Les noyaux actifs de galaxies

Les blazars constituent la plus grande classe de sources gamma. Très variables dans le temps, et se trouvant jusqu’à des milliards d’années-lumière de la Terre, leur puissance énorme est due à la chute de matière sur les trous noirs super massifs (cent millions fois le soleil) qui se trouvent dans leurs seins.

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Le noyau actif de galaxie M87 et son jet caractéristique photographié par le télescope Hubble
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Variation du flux en gammas du blazar 3C 454.3.

Les pulsars

Les pulsars forment la plus grande classe de sources gamma au sein de notre galaxie, la Voie Lactée. Fermi a multiplié par 20 le nombre que l’on peut étudier aux hautes énergies. Fermi a aussi fait la découverte inattendue que les pulsars les plus anciens, ceux qui ont été "recyclés" et qui tournent sur elle-même en quelques millisecondes seulement, sont majoritairement des sources gamma.

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La nébuleuse du Crabe vue en rayons X par le satellite Chandra. Le pulsar est le point au centre.
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Depuis {Fermi}, un peu moins de 10% des 2300 pulsars connus (points noirs et gris) sont vus en gammas (points en couleur).

Les restes de supernovae à coquilles

Elles proviennent de l’explosion d’étoiles massives ou de systèmes binaires constitués d’une naine blanche et d’une étoile compagnon. Dans ces deux cas de figure, une onde de choc est produite lors de l’explosion. C’est l’un des processus invoqués pour l’accélération des rayons cosmiques. Ainsi, l’expérience H.E.S.S. a déjà détecté et résolu l’émission gamma de deux restes de supernovae : RX J1713.7-3946 et Vela Junior.

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Le vestige de supernova RX J1713.7-3946 détecté par H.E.S.S.. Les contours de brillance en rayons X (satellite ASCA) ont été superposés en noir.

Les nébuleuses de pulsars

C’est une classe particulière de restes de supernovae où le pulsar central est entouré d’une population dense d’électrons de haute énergie.

Ainsi, l’Astronomie gamma est un domaine encore jeune mais extrêmement vaste puisqu’il couvre un domaine d’énergie pratiquement aussi grand que tout le reste de l’Astronomie (de la radio aux rayons X). Notre moisson de découvertes avec Fermi et HESS est riche.

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