Le scintillement des trous noirs a pu être étudié. Ici, une vue d’artiste du trou noir Cygnus X-1 et de son étoile compagnon. © Nasa/CXC/M. Weiss, Wikimedia Commons, DP

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Quand les trous noirs scintillent

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L'observatoire HAWC (High Altitude Water Cherenkov), composé de... réservoirs d'eau, permet d'étudier notamment le scintillement des trous noirs supermassifs, qui se traduit par des variations des émissions de rayons gamma générées lors d'énormes éruptions.

L'univers est un formidable accélérateur de particules qui réalise pour nous des expériences mettant en jeu des énergies très supérieures à celles du LHC. Cependant, personne ne peut en contrôler les paramètres... Le cosmos s'arrange toutefois, en quelque sorte, pour le faire à notre place en multipliant les astres de différents types, masses et tailles.

Les physiciens l'ont compris il y a des décennies et c'est pourquoi ils ont créé la discipline des astroparticules. Elle nécessite la construction de grands détecteurs sur Terre et c'est pour cette raison qu'est né l'observatoire High Altitude Water Cherenkov (HAWC) qui fonctionne 24 heures sur 24 depuis environ un an sur les flancs de la Sierra Negra (en français : « montagne Noire »), un stratovolcan actif situé au Mexique. Il permet d'observer les rayons gamma au moyen de l'effet Cherenkov dans l'hémisphère nord sur environ les deux tiers de la voûte céleste. Il est donc complémentaire des détecteurs Auger en Argentine et Hess en Namibie qui, eux, observent également le ciel gamma mais dans l'hémisphère sud.

Les résultats des observations menées avec HAWC commencent à être diffusés. Ils concernent des photons gamma dont les énergies sont comprises entre 100 GeV et 100 Tev (rappelons que le LHC est conçu pour faire des collisions de protons pouvant atteindre 14 TeV). Ces photons peuvent provenir d'explosions de supernovae, de pulsars, de trous noirs supermassifs ou bien d'objets plus exotiques comme des minitrous noirs primordiaux.

Une vue de la carte des sources gamma dressée à l’aide d’observations menées de novembre 2014 à novembre 2015 en utilisant HAWC. Les nombreuses sources de la Voie lactée (Milky Way) sont bien visibles à gauche et sont souvent identifiables sous forme de restes de supernovae ou de pulsars. © HAWC Collaboration

5 à 10 éruptions gamma par an pour les trous noirs supermassifs ?

À ce jour, HAWC a vu 40 sources bien distinctes de rayons gamma et 10 n'avaient encore jamais été détectées. Les photons gamma détectés sont parmi les plus énergétiques observés à ce jour avec notamment un quanta de lumière de 60 TeV. Il ne s'agit pas d'une détection directe cependant. Les détecteurs plongés dans 200.000 litres d'eau pure répartis dans 300 réservoirs observent le rayonnement Cherenkov produit par les gerbes de particules de matière arrivant au sol mais générées au sommet de l'atmosphère par les interactions entre les photons gamma et les noyaux de l'atmosphère. Des caractéristiques de cette lumière Cherenkov peuvent être déduites celles des photons gamma issus des sources astrophysiques, c'est-à-dire leur provenance sur la voûte céleste et leur énergie. Il y a ainsi environ 20.000 gerbes de rayons cosmiques qui atteignent les détecteurs de HAWC chaque seconde.

Une vue de l’observatoireHigh Altitude Water Cherenkovsitué à plus de 4.000 mètres d’altitude sur les pentes d’un volcan mexicain. Les 300 réservoirs contiennent de l’eau très pure et des détecteurs de rayonnement Cherenkov, une sorte de « bang » lumineux qui se produit dans l’eau au passage de particules chargées très rapides. © HAWC Collaboration, Samuel Marinelli

Le détecteur observe 24 heures sur 24 et il permet déjà de surveiller pour la première fois des sources connues de rayon gamma pour surprendre des éruptions ou mesurer des évolutions plus lentes de la luminosité de ces sources. Les chercheurs veulent en particulier étudier le cas des noyaux actifs de galaxies et l'activité des trous noirs supermassifs qu'ils hébergent. Début avril 2016, ils ont ainsi pu observer une éruption en cours dans la galaxie Markarian 501, située à environ 700 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Elle est bien connue en astronomie gamma pour ses colères et a servi pour tester des théories de gravitation quantique.

On estime que les trous noirs supermassifs des galaxies connaissent des éruptions à une fréquence de 5 à 10 fois par an. Mais comme les détecteurs précédents ne pouvaient pas surveiller en permanence et sur le long terme une grande partie du ciel, cette estimation est sujette à caution. Au cours des cinq prochaines années, HAWC devrait nous permettre d'avoir des résultats bien plus solides à cet égard. On devrait pouvoir notamment mesurer plus précisément l'activité de notre trou noir supermassif, Sagittarius A*.

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