Vue d’artiste du pulsar de Vela, au centre, et sa magnétosphère, dont la périphérie est marquée par le cercle brillant. Les traces bleues émergeant vers l’extérieur illustrent les trajectoires des particules accélérées. Celles-ci produisent le rayonnement gamma le long des bras d’une spirale tournante, par collisions avec des photons infrarouges émis dans la magnétosphère (en rouge). © Science Communication Lab for DESY

Les astrophysiciens découvrent les rayons gamma les plus énergétiques jamais observés en provenance d’un pulsar

L'observatoire H.E.S.S. détecte des photons de 20 TeV en provenance du pulsar de Vela

Les chercheurs utilisant l’observatoire H.E.S.S. en Namibie viennent de découvrir les rayons gamma les plus énergétiques jamais détectés depuis un pulsar. L’énergie de ces rayons gamma est de 20 téraélectronvolts, soit environ dix mille milliards de fois l’énergie de la lumière visible. Cette observation est difficilement conciliable avec la théorie de la production de tels rayons gamma pulsés, comme le rapporte l'équipe internationale dans la revue Nature Astronomy.

Les pulsars sont les cadavres d’étoiles qui explosent de façon spectaculaire en supernova. Les explosions laissent derrière elles une petite étoile morte d’à peine 20 kilomètres de diamètre, tournant extrêmement vite et dotée d’un énorme champ magnétique. "Ces étoiles mortes sont presque entièrement constituées de neutrons et sont incroyablement denses : une cuillère à café de leur matière a une masse de plus de cinq milliards de tonnes, soit environ 900 fois la masse de la Grande Pyramide de Gizeh", explique la chercheuse Emma de Oña Wilhelmi, co-auteur de la publication travaillant à Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Allemagne.

Les pulsars émettent des faisceaux de rayonnement électromagnétique qui balaient l’espace, un peu comme des phares cosmiques. Si leur faisceau traverse notre système solaire, nous voyons des éclairs de rayonnement à intervalles de temps réguliers. Ces éclairs, également appelés pulsations, peuvent être recherchés dans différentes bandes d'énergie du spectre électromagnétique. Les chercheurs pensent que la source de ce rayonnement est constituée d’électrons rapides qui voyagent de la surface du pulsar jusqu’à l’extrémité de sa magnétosphère. La magnétosphère est constituée de plasma et de champs électromagnétiques qui entourent l’étoile et tournent avec elle. "Lors de leur voyage aller, les électrons acquièrent de l'énergie et la libèrent sous forme des faisceaux de rayonnement", explique Bronek Rudak du Centre astronomique Nicolas Copernic (CAMK PAN) en Pologne, également co-auteur.

Le pulsar de Vela, situé dans le ciel austral dans la constellation des Voiles (voile du navire Argo), est le pulsar le plus brillant de la bande radio du spectre électromagnétique et la source persistante la plus brillante de rayons gamma cosmiques dans le domaine du gigaélectronvolt (GeV). Il tourne environ onze fois par seconde. Cependant, au-dessus de quelques GeV, son rayonnement s'arrête brusquement, probablement parce que les électrons atteignent l'extrémité de la magnétosphère du pulsar et s'en échappent.

Cependant, ceci n'est pas la fin de l'histoire : grâce à des observations approfondies avec H.E.S.S., une nouvelle composante de rayonnement à des énergies encore plus élevées a été découverte, avec des énergies allant jusqu'à plusieurs dizaines de téraélectronvolts (TeV). "C'est environ 200 fois plus énergétique que tous les rayonnements jamais détectés auparavant de cet objet", explique le co-auteur Christo Venter de l'Université du Nord-Ouest en Afrique du Sud. Cette composante de très haute énergie apparaît aux mêmes intervalles de phase que celle observée dans la gamme du GeV. Cependant, pour atteindre ces énergies, les électrons devraient voyager encore plus loin que la magnétosphère, tout en préservant la cohérence en phase de l'émission.

"Ce résultat remet en question nos connaissances antérieures sur les pulsars et nécessite de repenser le fonctionnement de ces accélérateurs cosmiques", explique Arache Djannati-Ataï du laboratoire Astroparticule & Cosmologie (APC) en France, qui a dirigé cette recherche. “Le schéma traditionnel selon lequel les particules sont accélérées le long des lignes de champ magnétique à l’intérieur ou légèrement à l’extérieur de la magnétosphère ne peut pas expliquer suffisamment nos observations. Peut-être assistons-nous à l’accélération des particules grâce au processus dit de reconnexion magnétique au-delà du cylindre de lumière, qui préserve encore d’une manière ou d’une autre la cohérence en temps d’arrivée des pulsations au GeV et au TeV? Mais même ce scénario se heurte à des difficultés pour expliquer comment un rayonnement aussi extrême peut être produit.”

Quelle que soit l'explication, en plus de ses autres superlatifs, le pulsar de Vela détient désormais officiellement le record du pulsar émettant les rayons gamma pulsés les plus énergétiques découverts à ce jour. "Cette découverte ouvre une nouvelle fenêtre d'observation pour la détection d'autres pulsars dans la gamme des dizaines de téraélectronvolts avec les télescopes à rayons gamma actuels et à venir, et ouvre ainsi la voie à une meilleure compréhension des processus d'accélération extrêmes dans les objets astrophysiques hautement magnétisés." ajoute Arache Djannati-Ataï.

Le réseau de télescopes à imagerie Tcherenkov atmosphérique H.E.S.S. est un ensemble de cinq télescopes destinés à l'étude des rayons gamma cosmiques à très haute énergie. L'observatoire est géré dans le cadre d'une collaboration internationale. Il est situé en Namibie, près de la montagne Gamsberg, dans une région connue pour ses excellentes conditions pour l’observation astronomique. Les quatre premiers télescopes de H.E.S.S. ont été mis en service en 2002/2003, et le cinquième, beaucoup plus grand et connu sous le nom de H.E.S.S. II est opérationnel depuis juillet 2012. Celui-ci a permis d’étendre la couverture énergétique du réseau H.E.S.S. vers des énergies plus basses, tout en améliorant encore sa sensibilité. Plus de 230 chercheurs de 41 instituts dans 15 pays différents sont impliqués dans H.E.S.S., avec en particulier, une forte participation du CNRS et du CEA en France, de la société Max Planck et de DESY en Allemagne.

L’équipe d’astronomie gamma de très haute énergie de l’APC figure parmi les pionniers de ce domaine de recherche à travers son apport aux expériences pilotes Themistocle, CAT et Celeste dans les Pyrénées Orientales en France, ainsi que par son implication dans la conception, construction et l’exploitation du réseau de télescopes H.E.S.S. en Namibie.

Les équipes de l'APC sont fortement impliquées dans la préparation de l'observatoire international CTA, qui sera la prochaine étape de l'exploration du ciel gamma à très hautes énergies à travers deux sites, aux îles Canaries et au Chili.

Bibliographie:

Discovery of a Radiation Component from the Vela Pulsar Reaching 20 Teraelectronvolts; The H.E.S.S. collaboration; Nature Astronomy, 2023; DOI: 10.1038/s41550-023-02052-3

Contacts science
Dr. Arache Djannati-Ataï, Laboratoire Astroparticule & Cosmologie (APC), Paris, France,
+ 33 1 57 27 61 59,  djannatiin2p3.fr

Dr. Emma de Oña Wilhelmi, DESY, Zeuthen, Germany, +49 33762 7 7483, emma.de.ona.wilhelmidesy.de (e)
Prof. Bronek Rudak, Nicolaus Copernicus Astronomical Center (CAMK PAN), Warsaw, Poland,
+48 509814061, bronekncac.torun.pl

Prof. Christo Venter, North-West University (NWU), Potchefstroom, South Africa,
+27 18 299 2423 christo.Venternwu.ac.za

Contacts collaboration H.E.S.S.
Prof. Stefan Wagner (Directeur, H.E.S.S.), +49 6221 541712,  swagnerlsw.uni-heidelberg.de

Dr. Mathieu de Naurois (Directeur adjoint, H.E.S.S.), +33 1 69 33 55 97,  denauroiin2p3.fr

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