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Une collaboration d’astrophysiciens chinois et japonais a découvert des photons de la plus haute énergie jamais vus: des rayons gamma d’une énergie allant jusqu’à 450 trillions d’électrons-volts (TeV).

Des rayons gamma d’une énergie jamais vue auparavant

Ces particules ont été retrouvées dans la nébuleuse du Crabe, un vestige d’une explosion stellaire observée par les astronomes chinois il y a près de 1000 ans, et d’un puissant pulsar, une étoile à neutrons dense, qui se trouve maintenant au cœur de cette nébuleuse.
«Nous savions que l’environnement d’un pulsar était extrême», déclare Geraint Lewis, un astrophysicien à l’Université de Sydney en Australie, qui n’a pas participé à cette recherche. La question que Lewis se pose est: « à quel point cela est extrême », dit-il. Il dit que ces résultats aideront à limiter les idées sur la façon dont les photons sont stimulés à des énergies aussi extraordinaires.
L’expérience de l’observatoire d’ASgamma au Tibet a repéré les photons à l’aide d’un réseau de près de 600 détecteurs à scintillation, des capteurs qui transforment les frappes de particules en signaux électroniques. Les détecteurs sont répartis sur 66 000 mètres carrés dans une vallée à 4 300 mètres d’altitude sur le plateau tibétain.
Lorsque les rayons gamma frappent l’atmosphère terrestre, ils créent des averses d’air dispersant des cascades d’électrons et d’autres particules subatomiques. Lorsque ces particules atteignent les détecteurs, le moment et l’énergie des impacts sont enregistrés, ce qui permet aux astronomes de reconstruire la force de l’énergie et la trajectoire du rayon gamma d’origine.

Distinguer les rayons gamma des rayons cosmiques,

Le problème consistait à distinguer les rayons gamma des rayons cosmiques, des particules chargées qui peuvent également atteindre ces énergies colossales et créer des averses d’air similaires. Heureusement, les averses provoquées par les rayons cosmiques contiennent une plus grande proportion de muons, des cousins ​​de courte durée des électrons.
Pour améliorer la détection des muons, l’équipe d’ASGamma au Tibet a enterré des détecteurs de réservoirs d’eau à 64 mètres autour du site de Yangbajing, une ville située au Nord-Ouest de Lhassa sur le plateau tibétain, explique Masato Takita, physicien expérimental pour ce projet de l’Institut de recherche sur les rayons cosmiques de l’Université de Tokyo.
Grâce à ces capacités améliorées, «je pensais pas que nous pourrions trouver des résultats inégalés auparavant», ajoute Huang Jing, astrophysicien à l’Institut de physique des hautes énergies de l’Académie des sciences de Chine à Beijing.
Et c’est ce qu’ils ont fait. Entre février 2014 et mai 2017, le réseau a capturé 24 rayons gamma allant de 100 à 450 TeV provenant de la nébuleuse du Crabe. L’équipe de 90 chercheurs de deux douzaines d’institutions a rendu compte de cette découverte dans Physical Review Letters.

Des frappes qui bisent les précédents records

Ces frappes brisent le précédent détenteur du record : les rayons gamma de 75 TeV observés lors de l’expérience d’astronomie à rayons gamma à haute énergie située à La Palma, l’une des îles Canaries en Espagne.
Une modélisation avait prédit l’existence de tels rayons gamma de haute énergie. Par conséquent, bien que cette découverte ne soit pas une surprise, elle fournit néanmoins une confirmation valable pour des hypothèses renforcées par des observations, explique Felix Aharonian, astrophysicien à la Dublin.
Lewis ajoute que les énergies observées des photons de rayons gamma ont régulièrement augmenté grâce à l’amélioration des détecteurs. Il pense que les trous noirs supermassifs situés au centre des galaxies pourraient constituer une autre source de rayons gamma à haute énergie.
L’ouverture de nouveaux observatoires pourrait être une preuve supplémentaire. La multinationale Cherenkov Telescope Array pourrait être achevée d’ici à 2025 et le Large High Altitude Air Shower Observatory, une installation partiellement achevée également sur le plateau tibétain, a commencé ses observations en avril et devrait fonctionner à plein régime l’année prochaine.

La chasse aux «PeVatrons»

Pour le moment, toutefois, l’expérience d’ASgamma au Tibet mène à la chasse aux «PeVatrons», des sources astrophysiques capables d’accélérer les photons et les rayons cosmiques gamma jusqu’à un pétaélectronvolt, soit 1 000 TeV.
«Nous espérons identifier beaucoup de PeVatrons», explique Huang. Des signaux provenant d’autres sources à 100 TeV autres que la nébuleuse du Crabe pourraient déjà être cachés dans les données de l’expérience d’ASGamma au Tibet, une possibilité, selon Takita, «actuellement en cours d’analyse».
Source : Science
Crédit photo : Pixabay