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Sgr A* : un accélérateur de particules au centre de la Voie Lactée

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Au centre de notre Galaxie se trouve un trou noir central, Sgr A*, de plusieurs millions de masses solaires. De nos jours, c'est un astre plutôt calme, mais il y a des milliards d'années ce devait être un quasar. De récentes observations en Namibie, avec le télescope HESS, révèlent la présence de rayons gamma très énergétiques en provenance d'une région autour de celui-ci. Pour certains astrophysiciens, cela indiquerait que ce trou noir ce comporterait comme un gigantesque accélérateur de particule !

Image en fausses couleurs du centre de la Galaxie. Au centre de la boite se trouve le trou noir central (Crédits : Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik).

Selon David Ballantyne et Fulvio Melia de l'Université de l'Arizona, proche de l'horizon de notre trou noir central, il se produirait des processus capables d'accélérer des protons pour leur faire atteindre des énergies jusqu'à plus de 100 Tev environ. Le LHC, qui sera bientôt opérationnel à Genève, ne devrait pas dépasser 14 Tev dans un premier temps et lui aussi fait intervenir des protons se déplaçant presque à la vitesse de la lumière.

Quelles sont les connexions avec les rayons gamma détectés par HESS ?

Lorsque des protons à très hautes énergies cognent contre d'autres protons à plus basses énergies, comme ceux de noyaux dans l'espace interstellaire, il peut se produire une réaction de production de mésons π0 neutres qui se désintègrent alors en donnant des photons gamma. Ces mêmes photons, lorsqu'ils entrent en collision avec les atomes de l'atmosphère terrestre, produisent une avalanche de particules de toutes sortes, on parle de gerbes de rayons cosmiques. Une faible lumière, appelée rayonnement Cerenkov, est aussi produite, et c'est elle que les miroirs du télescope détectent. C'est son analyse qui permet de retrouver et la direction précise de provenance des photons gamma et leur énergie.

Production de rayons gamma par chocs de protons en provenance du centre de la Galaxie sur des atomes d'hygrogène.

Jusqu'à présent, il n'y a rien de bien nouveau, et les observations de HESS portant sur les rayons gamma en provenance du centre de la Galaxie ont déjà fait l'objet d'un article important. Ce qui est nouveau, c'est qu'un modèle spécifique avec calculs à l'appui a été proposé pour reproduire ce que HESS voit en direction du trou noir central.

En quoi consiste ce modèle ?

Comme le rappelle Fulvio Melia, Sgr A* a été une constante source de surprises depuis sa découverte il a environ 30 ans et lentement mais sûrement, il est devenu le trou noir le plus étudié et dont l'existence est la plus solidement établie dans l'Univers. Depuis plusieurs années, lui et ses collègues ont développé toute une théorie pour montrer comment les processus chaotiques et turbulents du plasma entourant l'horizon de ce trou noir pouvaient accélérer des protons au delà du Tev.

Maintenant, en collaboration avec David Ballantyne, Siming Liu et Roland Crocker, il a reproduit le parcourt de près de 220 000 protons plongés dans un champ magnétique à travers un nuage d'hydrogène s'étendant sur plus de 20 années-lumière autour du centre de la Galaxie. Ces mouvements sont typiquement browniens avec de multiples collisions et des trajets erratiques. Ce qui fait que malgré leurs vitesses très élevées, presque celle de la lumière, il faut en moyenne des milliers d'années aux protons pour sortir de cette zone !

Au cour de ce voyage, les multiples collisions avec les noyaux d'hydrogène génèrent alors des pions π0 qui se désintègrent rapidement en photons gamma. Tout ce processus est comparable à celui des neutrons diffusant dans un réacteur nucléaire et y provoquant des réactions de fissions !

À leur grande satisfaction la forme et l'intensité du spectre de rayons gamma observé par HESS a pu être reproduite.