Les chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de...) (laboratoires IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche...) et INSU) et du CEA-DAPNIA, dans le cadre de la collaboration internationale HESS, viennent d’annoncer la découverte d’une émission périodique de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique....) gamma de très haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la...) en provenance d’un système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme couramment bit (de l'anglais binary...).

L’objet responsable de cette émission est un système double appelé LS 5039, constitué d’une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme...) bleue massive (Le mot massif peut être employé comme :) (20 fois plus que le Soleil) autour de laquelle orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que décrit dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous...) un objet compact encore non identifié qui pourrait être un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche...) galactique. Lorsqu’il plonge vers l’étoile géante (Branche asymptotique des géantes, naines blanches, nébuleuses planétaires) bleue, le compagnon compact est exposé au "vent" stellaire violent et à la lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des...) intense émis par l’étoile.


Cela permet l’accélération de particules à de hautes énergies, mais, dans le même temps, gêne l’échappement des rayons gamma produits par ces particules (en fonction de l’orientation du système par rapport à nous). L’interaction de ces deux effets produit un motif complexe de modulation. C’est le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme...) périodique d’énergie la plus élevée jamais détecté, près de 100 000 fois plus que ce que l’on connaissait auparavant.

Cette découverte, publiée récemment dans Astronomy & Astrophysics, permet de mieux localiser la source de rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement...) gamma dans l’environnement de LS 5039 et ouvre la voie à une meilleure compréhension de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé...) de tels systèmes binaires.

Dans notre Galaxie, plus de 80% des étoiles sont membres de systèmes multiples (doubles, triples, ...) constitués de plusieurs étoiles en orbites les unes autour des autres. Les étoiles isolées, telle le Soleil, sont une minorité. Dans le système LS 5039, les 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 (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux...), confirmée par HESS avec une précision meilleure que 0,04%.

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-dessous). "De plus, nous avons découvert que 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", note Gavin ROWELL, chercheur dans HESS (travaillant alors à l’institut Max Planck de Physique Nucléaire (La Physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ...) Nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On...), MPI-K).


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 (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système...) de l’environnement électromagnétique de l’étoile: l’intensité du vent stellaire, le rayonnement optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière et de ses relations avec la vision.) et ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de...) de l’étoile et le champ magnétique (En physique, le champ magnétique est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) changent en fonction de la distance à l’étoile, ce qui influence le processus d’accélération de particules près de l’objet compact. Une autre implication de cette découverte serait 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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont...) (une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) 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 est partiellement éclipsée. "L’absorption périodique des rayons gamma est une jolie illustration de la production de paires matière anti-matière par de la lumière, mais elle obscurcit aussi notre vue de l’accélérateur de particules dans ce système" explique Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque,...) DUBUS, du Laboratoire d’Astrophysique de Grenoble.

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". "C’est la première fois dans l’histoire de l’astronomie gamma de très haute énergie qu’on assiste en quelque sorte à une expérience répétée, évoluant, d’accélération de particules dans un environnement bien déterminé" dit Mathieu DE NAUROIS, du Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies, à Jussieu.

La découverte de la collaboration HESS de cette horloge orbitale, grâce à la précision de ses mesures, 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.