Les jets des quasars: des accélérateurs de particules sur des milliers d'années-lumière

Publié par Redbran le 21/06/2020 à 13:00
Source: CNRS
Une collaboration internationale, regroupant plus de 200 scientifiques de 13 pays, vient de démontrer que l'émission gamma de très haute énergie des quasars, galaxies au coeur très énergétique, n'est pas concentrée à proximitéde leur trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement...) central mais s'étend sur plusieurs milliers d'années-lumière, le long d'un jet de plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les...). Cette découverte vient bousculer les scénarios de fonctionnement de ces jets de plasma. Ces travaux, publiés dans la revue Nature le 18 juin 2020, ont été réalisés dans le cadre de la collaboration H.E.S.S., impliquant notamment en France le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...) et le CEA, et en Allemagne la Société Max Planck (La Société Max-Planck (en allemand Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. soit Société Max-Planck pour le développement de la science) est un organisme public allemand de...) ainsi qu'un groupe d'universités et d'organismes partenaires.


Image composite de Centaurus A, révélant les jets émergeant du trou noir central de la galaxie, et l'émission gamma associée.
© ESO/WFI (Optical); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray), H.E.S.S. collaboration (Gamma)

Depuis plusieurs années, l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est observé à travers le prisme du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) gamma, des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) à très haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Ces rayons, qui constituent une partie des rayons cosmiques bombardant la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) en permanence, proviennent des endroits de l'Univers où les particules sont accélérées jusqu'à des énergies colossales, inaccessibles aux accélérateurs construits par les humains. De nombreux objets cosmiques émettent ces rayons, tels que les quasars, des galaxies dites actives possédant un coeur très énergétique. L'intensité des rayons émis par ces derniers peut varier sur des échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) très courtes, allant jusqu'à la minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain...). La communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) pensait ainsi que la source de ces rayons est très petite et localisée à proximité d'un trou noir supermassif (En astrophysique, un trou noir supermassif est un trou noir dont la masse est d'environ un million à un milliard de masses solaires. C'est le type de trou noir le plus grand, après le -- encore...) (plusieurs milliards de fois la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) du Soleil). Le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979. L'histoire est inspiré du roman...) avalerait la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) qui tombe sur lui en spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en éloigne de plus en plus, en même temps qu'elle...) et en éjecterait une petite portion sous la forme de grands jets de plasma, à des vitesses relativistes proches de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...), contribuant à la redistribution de la matière dans l'Univers.

À l'aide de l'observatoire H.E.S.S., installé en Namibie, une collaboration internationale en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des...) a observé une radiogalaxie (galaxie très lumineuse quand on l'observe dans le domaine des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) radio) pendant plus de 200 heures (L'heure est une unité de mesure  :), avec une précision inégalée. Cette radio galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.), la plus proche de la Terre, est particulièrement propice à une telle étude: elle a permis aux scientifiques d'identifier la région émettant les rayons à très haute énergie tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en étudiant la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) des jets de plasma. Ils ont alors démontré que la source de rayons gamma s'étend sur une distance de plusieurs milliers d'années-lumière. Cette émission étendue signifie que l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui...) de particules ne se fait pas uniquement à proximité du trou noir mais également tout le long des jets de plasma. À la suite de ces nouveaux résultats, on pense maintenant que les particules seraient ainsi ré-accélérées par des processus turbulents le long du jet. Cette découverte suggère que de nombreuses radiogalaxies aux jets étendus pourraient accélérer des électrons à ces énergies extrêmes et émettre des rayons gamma, ce qui permettrait d'expliquer une partie substantielle du rayonnement de fond gamma diffus extragalactique.

Ces observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête...) apportent de nouvelles connaissances importantes sur les émetteurs cosmiques de rayons gamma et notamment le rôle des radiogalaxies en tant qu'accélérateurs d'électrons relativistes très efficaces. Du fait de leur grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».), celles-ci contribueraient collectivement, de façon très significative, à la redistribution d'énergie dans le milieu intergalactique. Les résultats de cette étude ont nécessité des observations approfondies et des techniques d'analyse optimisées avec l'observatoire de rayons gamma H.E.S.S., le plus sensible à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...). La prochaine génération de télescopes (Cherenkov Telescope Array, ou CTA) permettra certainement d'observer encore plus finement ce phénomène.

L'observatoire international H.E.S.S., composé de cinq télescopes installés en Namibie, implique des laboratoires de treize pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision...) (principalement France et Allemagne, mais aussi Namibie, Afrique (D’une superficie de 30 221 532 km2 en incluant les îles, l’Afrique est un continent couvrant 6 % de la surface terrestre et 20,3 % de la...) du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.), Irlande, Arménie, Pologne, Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie. En plus de...), Autriche, Suède, Royaume-Uni, Pays-Bas et Japon).

En France, le CNRS et le CEA sont les organismes les plus impliqués, à travers neuf laboratoires:
- laboratoire Astroparticule et cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) (CNRS/Université de Paris),
- Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan (CNRS/Université de Bordeaux),
- Centre de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On...) de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université),
- Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) du CEA,
- Laboratoire d'Annecy de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) des particules (CNRS/Université Savoie Mont Blanc),
- Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS/École polytechnique - Institut polytechnique de Paris),
- Laboratoire de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et de hautes énergies (CNRS/Sorbonne Université),
- Laboratoire Univers et particules de Montpellier (CNRS/Université de Montpellier),
- Laboratoire Univers et théories (Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au...) - PSL/CNRS/Université de Paris).

La France est également déjà engagée dans le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) CTA pour le développement de la nouvelle génération de télescopes, une Très grande infrastructure de recherche dans la stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) nationale du ministère de l'Enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les connaissances d'un élève par le biais de communication...) supérieur, de la Recherche et de l'Innovation.

Pour en savoir plus sur H.E.S.S.:
Page principale de la collaboration H.E.S.S.: www.mpi-hd.mpg.de/HESS
Instrument H.E.S.S.: www.mpi-hd.mpg.de/HESS/pages/about/

Bibliographie:
Resolving acceleration to very high energies along the Jet of Centaurus A, The H.E.S.S. Collaboration, Nature, 18 juin 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2354-1

Contacts:
Mathieu de Naurois- Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et...) CNRS, directeur adjoint de HESS - IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique nucléaire et des particules. Il a...)
David Sanchez - Chercheur CNRS - IN2P3
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