Rayons cosmiques
  Hess, la lumière ultra énergétique du cosmos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le saviez-vous ? Il existe une lumière gamma peu ordinaire - 100 à 1000 milliards de fois plus énergétique que ce que perçoit notre œil ! Depuis plus de quinze ans, elle donne lieu à une astronomie nouvelle qui étudie l’origine des rayons cosmiques, les restes d’explosions d’étoiles ou les galaxies hyperactives. Le fer de lance de cette discipline est l’observatoire franco-allemand Hess installé à 1800 mètres d’altitude, en Namibie. Ses quatre télescopes de 12 mètres scrutent les gerbes de rayonnement dans l’atmosphère.

"C’est l’instrument le plus performant du monde sensible à ce type de lumière d’ultra haute énergie" : fruit d’une collaboration internationale emmenée par les chercheurs allemands de l’Institut Max Planck et les Français du CEA et du Cnrs, l’observatoire Hess (High Energy Stereoscopic System) se compose de quatre télescopes de 12 mètres de diamètre. Il opère depuis un site unique, choisi pour ses excellentes qualités météos et son ciel pur, garanti par 1 800 mètres d’altitude : les montagnes Khomas, en Namibie, dans le sud-ouest de l’Afrique. Là, on enregistre la trace fugace d’un rayonnement peu ordinaire – des photons gamma extrêmes – grains de lumière de plus de 200 milliards d’électrons-volts d’énergie. Autrement dit, ces radiations sont un milliard de fois plus «dures et pénétrantes» que les rayons X employés dans les services de radiologie des hôpitaux… Le but n’est pas de scruter le corps humain ; mais bel et bien d’explorer les arcanes des astres les plus violents du cosmos. Trous noirs, vestiges d’explosions d’étoiles en supernovae ou bien galaxies lointaines à noyau frénétique sont en effet soupçonnées de développer de furieuses ondes de choc susceptibles d’engendrer cette lumière "de la mort". Heureusement pour nous, les photons ultra énergétiques n’atteignent pas le sol terrestre. Au contraire, au voisinage de notre planète, ils se heurtent aux molécules d’air de la haute atmosphère et produisent ainsi une cascade d’électrons et de positrons (l’anti-particule de l’électron). Chacun d’eux crée alors une sorte de "bang" supersonique dans le milieu. Ils apparaissent comme autant de très brefs flashs d’une lumière bleutée caractéristique. C’est l’effet Cherenkov, mis en évidence en 1934 par le Soviétique Pavel Alekseyevich Cherenkov, Nobel de physique 1958.

Zoom : L'origine des rayons cosmiques

Les quatre télescopes de l’observatoire Hess collectent cette délicate et précieuse lumière secondaire à l’aide de leurs miroirs composites constitués de plusieurs éléments d’un mètre de diamètre. Là, le rayonnement réfléchi est enregistré par une caméra ultrasensible et ultrarapide qui comporte un millier d’éléments photodétecteurs. Lesquels transmettent l’information scientifique au rythme d’une fois tous les milliardièmes de seconde. "On en est ainsi en mesure de reconstituer le développement en trois dimensions de la gerbe électromagnétique, fuseau qui s’étale sur 10 kilomètres de haut et 100 mètres de large", explique Gérard Fontaine de l’école Polytechnique de Palaiseau (Essonne). "Les quatre télescopes procurent une vision de face et de profil. Si bien que Hess est ainsi devenu le premier instrument au monde à délivrer des images de sources astronomiques émettrices de rayons gamma d’ultra haute énergie. On remonte à leur morphologie."

Zoom : Hess, premières cibles et résultats

L’infrastructure au grand complet a été inaugurée le 28 septembre 2004, en présence du premier ministre namibien. Sans attendre, des photons de 10 mille milliards d’électrons-volts avaient déjà été surpris dans la direction du centre de notre galaxie. Ce qui a permis de dresser une première carte à ultra haute énergie de cette région particulièrement intéressante et riche de la Voie lactée. D’autre part, l’étude approfondie d’un vestige de supernova a abouti à la première confirmation directe de ce que les rayons cosmiques sont des particules chargées (électrons ou protons) accélérées dans le linceul d’étoiles défuntes. Bon départ, donc : «en un an, courant 2003, alors que l’observatoire était en construction, nous avons observé la totalité des dix sources d’ultra haute énergie déjà connues jusqu’ici», récapitule Gérard Fontaine. "Depuis que les quatre télescopes sont fonctionnels, c’est-à-dire en 2004, une dizaine d’autres objets – totalement nouveaux et inconnus ceux-là – ont été détectés pour la plupart dans la Voie lactée."

La naissance d’une astronomie nouvelle

L’astronomie gamma des très hautes énergies s’intéresse aux trous noirs et aux restes d’étoiles explosées en supernovae. Ces derniers se présentent sous deux formes cousines : une nébuleuse diffuse en expansion sans rien au milieu ou bien, au contraire, avec un résidu dense au centre. Il s’agit du cœur de l’astre disparu. Il s’est effondré dans la tourmente. C’est le cas dans la nébuleuse du Crabe M 1 où une étoile à neutrons alimente en énergie tout son environnement. Un autre type de cibles correspond aux galaxies à noyau actif. On les nomme ainsi parce que leur cœur – de dimensions inférieures au diamètre de notre Système solaire – brille de manière intense et éclipse parfois la galaxie hôte. Les scientifiques suspectent que ces objets extraordinaires puisent leur vigueur au plus profond d’un trou noir géant. Ceci expliquerait que leur puissance puisse varier dans des proportions de 1 à 5 en seulement un quart d’heure ou une demi-heure. Hess devrait percevoir leur signature jusqu’à des distances de 1 à 3 milliards d’années-lumière. C’est-à-dire 10 000 fois plus loin que les objets de notre Galaxie elle-même.

Enfin, il existe "un troisième type de sources dont rêvent les astrophysiciens et qui pourrait devenir accessible aux caméras de Hess", souligne Gérard Fontaine. «Il s’agit de la désintégration spontanée des particules de matière noire exotique que l’on suppose hanter notre galaxie et, particulièrement, son cœur.» Le résultat attendu devrait être un excès de radiations dans cette direction du ciel. En effet, les théories de supersymétrie prévoient que les particules de matière noire s’accumulent en cet endroit. Hélas, le premier relevé dressé de manière préliminaire a plutôt paru infirmer cette idée porteuse d’espoir. Affaire à suivre, donc, concernant la mythique signature de la matière noire primordiale…

L’installation Hess est sensible aux rayons gamma d’énergie entre 100 et 10 000 milliards d’électrons-volts. Dans une métaphore musicale, comparons à un clavier de piano la gamme des rayonnements - radio, infrarouge, visibles, ultraviolets, X et gamma - utilisée par l’astronomie. Le domaine de la lumière vue par notre œil couvre une octave. Et celui perçu par Hess se trouve… 40 octaves plus loin vers les radiations très dures.

En France, la quête des rayons gamma très énergétiques remonte à 1987. Elle est née de la limitation des observatoires spatiaux qui, du fait des petites dimensions de leurs capteurs, perçoivent peu de photons de plus de 10 milliards d’électrons-volts. Pour dépasser ce seuil, il fallait recourir aux télescopes au sol. Ceux-ci utilisent - au cœur - de leur détecteur… une partie de l’atmosphère terrestre ! Ainsi a vu le jour le site Thémis, à Targasonne, dans les Pyrénées orientales. Il exploite une ancienne centrale solaire reconvertie d’Électricité de France. Trois générations d’expériences s’y sont succédé. Petit à petit, on est parvenu à réutiliser la totalité des 200 miroirs de la centrale qui ne suivent plus le Soleil de jour mais les étoiles la nuit. Parallèlement, l’effort a porté sur la production d’une électronique rapide, capable de rejeter le bruit de fond du ciel et de réaliser de premières images. En 1992, l’instrument majeur au plan mondial était l’observatoire Whipple, en Arizona. Désormais, il est détrôné par la collaboration installée en Namibie qui utilise quatre télescopes afin d’obtenir une vision stéréoscopique des gerbes lumineuses. La surface collectrice efficace équivaut à un champ aérien dont l’étendue se mesure en hectares. On accède ainsi à la signature de phénomènes hyper violents qui n’ont aucune commune mesure avec ce que nous connaissons sur Terre. Ces processus magnéto-hydro-dynamiques sont supposés accélérer la matière sous forme de puissants jets. Mais ils sont encore très mal cernés et difficiles à modéliser dans leur complexité.

Zoom : L'astronomie gamma dans l'espace

L’idée initiale de l’observatoire Hess a été émise en 1997, acceptée en 1999 et le premier télescope a été installé en juin 2002. Le dernier des quatre télescopes, lui, a été implanté sur le site en décembre 2003. Depuis janvier 2004, l’ensemble est en service. La localisation dans l’hémisphère austral a été choisie en raison de la vue imprenable qu’elle offre sur le cœur et les régions les plus riches de notre galaxie. Un balayage systématique est engagé. Il devrait aboutir à la détection d’une foison de sources nouvelles.

La collaboration unit aujourd’hui les efforts d’une centaine de chercheurs dont 30 Français aux côtés de collègues allemands, britanniques, tchèques, Irlandais, arméniens, sud-africains et namibiens. Budget investi : 8 millions d’euros. On parle d’apporter un télescope complémentaire de 26 mètres de diamètre afin de parfaire le dispositif. Les liens avec la communauté scientifique naissante en Namibie et en Afrique du Sud ont été soignés. Au quotidien, trois chercheurs internationaux assurent l’exploitation la nuit. La maintenance est réalisée durant la journée. L’ingénieur responsable du site est sud-africain. Deux techniciens namibiens spécialistes d’électronique et de mécanique l’assistent.

La concurrence internationale est constituée de quatre télescopes japonais de 10 mètres en Australie, d’un instrument allemand de 17 mètres aux îles Canaries et d’un prototype américain de 10 mètres en construction. Mais sous les cieux africains, Hess reste le plus puissant œil terrestre porté sur l’Univers de la violence. Au beau milieu d’une nature florissante, jalonnée de babouins, de serpents et parfois même de guépards, le cosmos extrême se déchaîne.


Pour en savoir plus :

HESS-II : une nouvelle caméra pour explorer l'Univers violent
Communiqué de presse CNRS / CEA / Ecole polytechnique du14 juin 2010

Les rayons gamma dissipent le brouillard intergalactique
Communiqué de presse CNRS / CEA du 19 avril 2006

L'expérience HESS découvre un accélérateur cosmique en pleine action au centre de la Voie Lactée
Communiqué de presse CNRS / CEA du 8 février 2006

Hess : vers une résolution du mystère de l'origine des rayons cosmiques
Communiqué de presse CNRS / CEA du 4 novembre 2004