Un accélérateur de particules au centre de notre Galaxie


Une équipe d'astrophysiciens (à laquelle participent des chercheurs de l'Observatoire de Paris et du CNRS) a annoncé la détection par les télescopes Cerenkov H.E.S.S. (Namibie) d'un rayonnement gamma de très haute énergie en provenance de gigantesques nuages de gaz qui baignent le centre de notre Galaxie. La source de ces rayons gamma serait l'interaction de particules encore plus énergétiques, traversant toute la Galaxie, avec ces nuages. Grâce aux mesures précises d'intensité et d'énergie de ces rayons gamma que seul permet ce nouvel instrument, il a pu être montré que les particules cosmiques à l'origine ont une énergie bien supérieure à celles qui pénètrent dans l'atmosphère terrestre. Ce surcroit d'énergie des rayons cosmiques au voisinage du Centre Galactique pourrait avoir comme explication l'écho de l'explosion, vieille de plusieurs centaines de siècles, d'une supernova ou une bouffée d'accélération due à la présence d'un trou noir supermassif au centre de la Galaxie.
HESS telescopes
Vue des 4 télescopes de H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) en Namibie, au Sud-Ouest de l'Afrique. Cliquer sur l'image pour l'agrandir

Dans une publication récente au journal Nature (9 Février 2006), la collaboration H.E.S.S. annonce la découverte d'une émission gamma en provenance d'un ensemble de nuages de gaz situé au voisinage du centre de notre propre Galaxie. La masse d'hydrogène contenue dans ces gigantesques nuages équivaut à 50 millions de fois la masse du soleil. La très grande sensibilité des télescopes H.E.S.S. a permis de voir l'émission gamma de très haute énergie de ces nuages (voir Figure 1).

Figure 1: Vue par H.E.S.S. de la région du centre galactique. L'image du haut montre la carte en rayons gamma du centre galactique par HESS: deux sources brillantes dominent, HESS J1745-290, une source mystérieuse juste au centre; et, environ à un degré, le reste de supernova G 0.9+0.1. L'image du bas montre la même carte, après soustraction des sources. L'émission des rayons gamma est visible tout au long du plan galactique et aussi provenant d'une autre source mystérieuse: HESS J1745-303. Ls pointillés montrent la position du plan galactique. Les cercles blancs montrent les positions des sources soustraites. Cliquer sur l'image pour l'agrandir
La clef pour une meilleure compréhension des rayons cosmiques est la connaissance de leur distribution spatiale. Diffusent-ils uniformément dans toute la Galaxie ou bien leur densité et distribution en énergie dépend elle de l'endroit considéré dans la Galaxie (par exemple la proximité d'un accélérateur de particules)? Nous pouvons mesurer directement le rayonnement cosmique uniquement dans le système solaire, situé à 25000 années lumières du centre de la galaxie. Mais une astuce permet aux astrophysiciens de traquer les rayons cosmiques partout dans la Galaxie: quand une particule cosmique rentre en collision avec une molécule de gaz interstellaire, des rayons gamma sont produits (cf Figure 2).

Figure 2: L'intéraction entre les rayons cosmiques et les nucléons produit des rayons gamma. Cliquer sur l'image pour l'agrandir

La partie centrale de notre Galaxie est un bestiaire très riche, contenant des exemples de tous les objets les plus exotiques connus des astronomes: restes d'explosion de supernova, trou noir supermassif etc... Elle contient aussi de grandes quantités de gaz interstellaire qui se condensent en nuages. Si des rayons gamma sont détectés dans la direction d'un tel nuage de gaz, les scientifiques en déduisent la densité de rayonnement cosmique à cet endroit du nuage. L'intensité et la distribution en énergie de ces rayons gamma reflètent celle des rayons cosmiques.

Cette technique a déjà été utilisée à basse énergie, environ 100 millions d'électron-volts (les accélérateurs que l'on a sur terre peuvent atteindre des énergies d'un milliard d'électron-volts) par le satellite EGRET pour cartographier les rayons cosmiques dans notre Galaxie. A des énergies vraiment élevées - le vrai domaine des accélerateurs cosmiques - aucun instrument n'était jusqu'alors assez sensible pour "voir" les nuages de gaz interstellaire briller en rayonnement gamma de très haute énergie. H.E.S.S. a démontré pour la première fois la présence de rayonnement cosmique dans cette région centrale de notre Galaxie.

La surprise provenant des données H.E.S.S. est que la densité de rayons cosmiques excède largement celle constatée dans le voisinage solaire. Ce qui est interessant est que cette différence s'accroit avec l'énergie, ce qui implique que les rayons cosmiques ont été accélérés récemment. Donc ces données suggérent que ces nuages sont éclairés par un accélérateur de rayons cosmiques proche qui était actif ces derniers 10 000 ans. Les candidats pour de tels accélérateurs sont les gigantesques explosions stellaires qui ont apparemment eu lieu près du centre de notre Galaxie dans un passé "récent" ( communiqué de presse de Chandra). Un autre site possible d'accélération est le trou noir supermassif au centre de la Galaxie. Jim Hinton (Max-Planck Institute for Nuclear Physics, Heidelberg, Germany), un des scientifiques ayant participé à la découverte, conclut "Ce n'est que la première étape. Nous continuons bien évidemment à pointer nos télescopes vers le centre de la Galaxie et nous allons continuer de travailler dur pour localiser le site exact de l'accélérateur - Je suis convaincu que nous ne sommes pas au bout de nos surprises!"

Cartographie en Rayons Gamma par HESS de la région du Centre Galactique. Cliquer sur l'image pour l'agrandir

Voir aussi: CNRS Press Release
HESS Press Release
Reste de supernova par HESS (Novembre 2004)

Référence
Aharonian et al (2006),
Discovery of very-high-energy gamma-rays from the Galactic Centre ridge,
Nature, 9 February issue

Contacts
Catherine Boisson, (Observatoire de Paris, LUTH)
Hélène Sol (Observatoire de Paris, LUTH)