La nébuleuse du crabe vient de faire exploser la Terre avec les photons les plus énergétiques jamais enregistrés

Nébuleuse du Crabe Nasa

Le plateau tibétain est une vaste plaine élevée à près de cinq kilomètres au-dessus du niveau de la mer, parfois appelée le toit du monde. Il est bordé au sud par la plus haute chaîne de montagnes du monde et au nord par des terres désertiques. C'est l'un des endroits les plus isolés de la planète.

Mais l'altitude extrême en fait un endroit utile pour les scientifiques. En 1990, ils y ont construit un observatoire pour étudier les gerbes de particules subatomiques qui pleuvent de la haute atmosphère chaque fois qu'elle est frappée par un rayon cosmique de haute énergie. Ce travail est mieux fait à haute altitude car il y a moins d'atmosphère pour absorber les particules.

Depuis lors, le soi-disant Tibet Air Shower Array a enregistré un grand nombre de rayons cosmiques à haute énergie, des particules accélérées à des énergies énormes par des phénomènes astrophysiques tels que des supernovas, des noyaux galactiques actifs et de mystérieuses sources encore non identifiées.

Mais le réseau capte également les gerbes d'air causées par une autre source : les photons à haute énergie. Ces photons mystérieux sont également créés par des phénomènes astrophysiques tels que l'interaction entre les particules de haute énergie et le fond diffus cosmologique. Par conséquent, ils peuvent fournir un aperçu unique de ces processus et des environnements dans lesquels ils se produisent.

Au fil des ans, le Tibet Air Shower Array a repéré beaucoup de ces photons avec des énergies allant jusqu'à des dizaines de téraélectronvolts (TeV 1012). Cela équivaut à peu près aux photons de plus haute énergie qui peuvent être créés sur Terre. Mais personne n'a jamais observé de photons plus puissants.

Jusqu'à maintenant. Aujourd'hui, des chercheurs de la Tibet Air Shower Gamma Collaboration affirment avoir observé pour la première fois des photons d'énergie supérieure à 100 TeV, dont un remarquable photon d'une énergie de près de 500 TeV. Ce photon unique a à peu près la même énergie qu'une balle de ping-pong qui tombe et est le photon le plus énergétique jamais enregistré.

La collaboration a également déterminé d'où proviennent ces photons : la nébuleuse du crabe, les restes d'une supernova qui a été observée pour la première fois en 1054 après JC dans le bras de Persée de la Voie lactée, à quelque 6 500 années-lumière de la Terre.

Au centre de cette nébuleuse se trouve un pulsar, une étoile à neutrons tournant à une vitesse de 30 fois par seconde et émettant des impulsions électromagnétiques sur une large gamme de fréquences. Bien que la nébuleuse du Crabe ne soit pas visible à l'œil nu - elle a à peu près la même luminosité que Titan, la lune de Saturne - c'est la source la plus brillante du ciel nocturne de rayons X et de rayons gamma avec des énergies supérieures à 30 KeV.

Cela le rend d'un intérêt considérable pour les astronomes. Une question qui les fascine est de savoir à quel point ces photons peuvent devenir énergétiques et ce que la distribution des énergies des photons leur dit sur les conditions à l'intérieur de la nébuleuse.

On pense que les photons de cette énergie sont créés par un processus connu sous le nom de diffusion Compton inverse. Cela se produit lorsqu'une particule de haute énergie transfère son énergie à un photon. Dans le cas de la nébuleuse du Crabe, les particules de haute énergie sont probablement des électrons et des protons accélérés par des ondes de choc dans les puissants champs magnétiques qui entourent le pulsar. Cela leur donne des énergies de l'ordre du sous-pétaélectronvolt (1015).

En comparaison, le Large Hadron Collider, l'accélérateur de particules le plus puissant au monde, a une énergie de collision de 14 TeV.

Ces particules transfèrent ensuite leur énergie aux photons restants du Big Bang, appelés le fond diffus cosmologique, leur donnant des centaines de TeV. Ce sont les photons détectés par le Tibet Air Shower Array. Il s'agit de la première détection des photons d'énergie la plus élevée au-delà de 100 TeV provenant d'une source astrophysique, et ouvre ainsi la fenêtre sous-PeV en astronomie, disent-ils.

Cela révèle exactement quels types de conditions doivent exister à l'intérieur de la nébuleuse. En particulier, il révèle l'amplitude des ondes de choc traversant le champ magnétique. Et cela éclaire à son tour les processus qui doivent générer ces ondes de choc.

Diverses théories prédisent une limite à l'énergie que les photons peuvent gagner de cette manière. Mais la collaboration tibétaine n'en a trouvé aucun signe jusqu'à présent. Il se peut que des photons avec des exaélectronvolts (1018) soient produits de cette manière. Dans ce cas, un seul photon aurait l'énergie d'une balle de carabine à air comprimé. En 1991, des physiciens ont mesuré un rayon cosmique d'une énergie de 300 EeV, la soi-disant particule Oh-My-God, la particule la plus énergétique jamais enregistrée.

Mais d'abord, des preuves supplémentaires seront nécessaires de la part de la collaboration du Tibet et d'autres groupes pour aider à affiner les théories astrophysiques sur ce qui se passe exactement à l'intérieur de ces environnements les plus extrêmes de l'univers.

Réf : https://arxiv.org/abs/1906.05521 : Première détection de photons d'énergie supérieure à 100 TeV à partir d'une source astrophysique

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