Pour la première fois, une émission de rayons gamma de haute énergie en provenance d'un microquasar a pu être observée avec certitude grâce au satellite Fermi de la NASA. L'observation du microquasar Cygnus X-3 par les équipes françaises (CEA-IRFU (1), CNRS-INSU (2) et CNRS-IN2P3 (3) , Université Paris Diderot - Paris 7, Université Joseph Fourier) de la collaboration Fermi permet de mieux comprendre le fonctionnement de ces sources particulières, capables de propulser dans le milieu interstellaire l'équivalent de la masse de la Lune à une vitesse proche de celle de la lumière. Cette étude fait l'objet d'une publication dans la revue Science Express du 26 novembre 2009.
Vision d'artiste de Cygnus X-3 - Un objet compact (trou noir ou étoile à neutrons) entouré d'un
disque d'accrétion orbite autour d'une étoile massive très chaude. Les rayons gamma (représentés
en violet) surviennent probablement lorsque les électrons qui se déplacent au-dessus et en-dessous
du disque entrent en collision avec les rayons ultraviolets émis par l'étoile. L'émission gamma varie le
long de l'orbite et est maximale lorsque le disque est situé derrière l'étoile compagnon.
Crédit : © Walt Feimer, NASA/Goddard Space Flight Center
Les microquasars sont des couples d'étoiles composés d'un objet compact (étoile à neutrons ou trou noir) orbitant autour d'une étoile compagnon. Ces systèmes binaires sont également le siège de jets de matière très énergétiques, propulsés à des vitesses proches de celles de la lumière. Par illusion d'optique, ces projections, appelées « jets relativistes », paraissent même parfois dépasser la vitesse de la lumière. A l'échelle miniature, ils semblent la réplique exacte des quasars, cœurs de galaxies où de puissants jets sont propulsés par un trou noir géant, d'où leur nom de « microquasars » (4) . Relativement proches de nous, ces quasars miniatures sont de parfaits laboratoires pour essayer de comprendre les phénomènes de jets qui affectent aussi les galaxies. Si, jusqu'ici, les astrophysiciens soupçonnaient les microquasars d'être des sources de rayons gamma de haute énergie, jamais ils n'avaient pu observer avec certitude une telle émission. Les observations faites grâce au télescope Fermi du microquasar Cygnus X-3, situé dans notre Galaxie à environ 20 000 années-lumière dans la direction de la constellation du Cygne, changent désormais la donne. La signature gamma du microquasar est cette fois-ci sans équivoque et clôt un débat ouvert dans les années 70.
Les observations sont formelles : « Trois preuves nous ont conduit à cette conclusion : la coïncidence parfaite entre la source gamma détectée par Fermi et la position du microquasar Cygnus X-3, la variation dans le temps de l'émission en fonction de l'orbite du système binaire (période de 4.8 heures) et enfin la connexion entre l'activité gamma et celle des jets relativistes observée par les radio-télescopes», explique Stéphane Corbel, professeur à l'Université Paris Diderot et membre de l'Unité Mixte de Recherche AIM (Astrophysique Interactions multi-échelles).
Les chercheurs ont pu en outre montrer la variabilité de l'émission gamma : celle-ci apparaît juste
avant une forte émission radio, signe de l'allumage des jets relativistes. Ces observations apportent donc de toutes nouvelles perspectives pour comprendre l'accélération des particules et la formation des jets relativistes.
« L'étoile compagnon du couple Cygnus X-3 est une étoile très massive (de type Wolf-Rayet) qui perd continuellement une fraction importante de sa masse sous la forme d'un vent intense. Il en résulte des densités de particules importantes très proches de l'objet compact. De là peuvent naître des processus exotiques entraînant la production de neutrinos, ce qui fait du microquasar Cygnus X-3 un objet de choix pour la détection de ces particules », explique Guillaume Dubus, de l'Université Joseph Fourier de Grenoble. La quête va aussi se poursuivre dans le domaine des photons gamma de très haute énergie (> TeV) avec les réseaux de télescopes au sol présents et futurs.
La source Cygnus X-3 détectée par le télescope LAT (Large Area Telescope) à bord du satellite Fermi
dans le domaine d'énergie 200 MeV – 100 GeV. La position de Cygnus X-3 est indiquée par un cercle.
Crédit : © NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration
Notes:
(1)Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers, Service d'Astrophysique.
(2)Institut National des Sciences de l'Univers du CNRS. Laboratoires INSU impliqués dans l'exploitation de Fermi : Laboratoire Astrophysique interactions multi-échelles (CEA, CNRS, Université Paris Diderot), Laboratoire d'Astrophysique de Grenoble (CNRS, Université Joseph Fourier, Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble), Centre d'Etude Spatiale des rayonnements (CNRS, Université Paul Sabatier, Observatoire Midi-Pyrénées)
(3)Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS. Laboratoires IN2P3 impliqués dans Fermi : Centre d'études nucléaires de Bordeaux-Gradignan (CNRS, Université de Bordeaux 1), Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS, École Polytechnique), Laboratoire de physique théorique et astroparticules (CNRS, Université Montpellier 2), Centre de calcul de l'IN2P3 (CNRS)
(4)Le premier de ces objets a été découvert au CEA en 1992 par Félix Mirabel et ses collaborateurs.
