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HESS détecte le rayonnement gamma d’une galaxie à flambée d’étoiles

par Francois Legrand - 16 novembre 2009

Les régions de formation stellaire dans les galaxies à flambée d’étoiles sont le berceau de nombreuses étoiles massives de faible durée de vie. Leur explosion en supernovae est propice à l’accélération de particules à des énergies élevées. Les télescopes internationaux de la collaboration HESS [1], qui inclut des chercheurs du CNRS (IN2P3 [2] et INSU [3]) [4] et du CEA [5], ont permis pour la première fois la détection de l’émission d’une telle galaxie, NGC 253, ainsi que son étude détaillée. Ces observations confirment les prévisions : ce rayonnement provient effectivement de la région la plus active en supernovae de cette galaxie. Cette découverte fait l’objet d’un article qui vient d’être publié dans Science.

NGC 253 est une des plus proches galaxies spirales en-dehors du groupe local auquel nous appartenons. A la différence de la Voie Lactée, elle abrite en son centre une petite région avec un taux de formation stellaire élevé, observée dans le visible, dans l’infrarouge ainsi qu’en radio. Cette région présente également une forte densité de poussières et de gaz, dans laquelle les étoiles massives explosent en supernovae.

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NGC 253 observée à l’ESO
Cette image a été obtenue par l’instrument WFI (Wide Field Imager) installé sur le télescope de l’ESO de 2.2 m à l’observatoire de la Silla (Chili).
Credit : ESO

Au regard des caractéristiques de cette galaxie, les scientifiques ont déduit qu’elle devait émettre des rayons gamma. Ces prévisions étaient à la limite de la sensibilité des instruments actuels, présentant un grand défi et nécessitant la mise au point de nouvelles techniques d’analyse, telles celles développées par Mathieu de Naurois (LPNHE) et Stefan Ohm (Max-Planck-Institut für Kernphysik). Avec l’utilisation du réseau de télescopes Hess, situé en Namibie, il a été possible de déceler cette émission, grâce à une longue exposition d’un total de 119 heu res réparties sur trois ans (entre 2005 et 2008).

« Des vérifications minutieuses, ainsi que l’étude sur les effets systématiques, sur l’ensemble des données ont également été nécessaires avant de pouvoir être certain du résultat », remarque Yvonne Becherini (APC).

La source des rayons gammas d’énergie supérieure à 220 GeV se trouve être exactement dans le centre optique de NGC 253, et apparaît comme une source ponctuelle pour Hess. Elle est aussi la plus faible source jamais détectée dans le domaine de l’astronomie gamma de haute énergie.

Les ondes de choc se répandant à partir des explosions de supernovae accélèrent les particules chargées à des énergies extrêmement élevées. L’interaction de ces particules avec les poussières et le gaz environnants provoque l’émission de rayons gamma de haute énergie. Le flux des rayons gamma mesuré implique une densité de particules dans la zone de formation stellaire de NGC 253 qui est plus de 1000 fois supérieure à celle du centre de notre Voie Lactée. En outre, étant donné la densité élevée du gaz, le taux de conversion de l’énergie des particules en rayons gamma est environ d’un ordre de grandeur plus efficace. Les chercheurs donnent cette statistique étonnante : « La région centrale de formation d’étoiles de NGC 253 est environ cinq fois plus brillante en rayons gamma que tout le reste de la galaxie ! ».

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Détection de l’émission gamma par Hess
Contours de la galaxie NGC 253 vue en optique (en blanc) superposés à l’intensité de l’émission gamma mise en évidence par HESS. L’émission gamma provient uniquement du centre de la galaxie, siège d’une activité
importante de formation d’étoiles.

Les quatre télescopes Hess, avec un miroir de 13 mètres de diamètre chacun, peuvent détecter les faibles éclairs bleuâtres et extrêmement brefs, de la lumière dite « Tcherenkov ». Celle-ci est émise par les gerbes de particules produites lorsque les rayons gamma de haute énergie entrent en collision avec les molécules de l’atmosphère. Hess, depuis ses débuts en 2004, a fait de nombreuses découvertes importantes, dont la première image astronomique d’un reste de supernova en rayons gamma de haute énergie et la détection de galaxies à noyau actif dans le domaine des gamma. Un cinquième télescope, beaucoup plus grand que les autres, est actuellement en construction, et permettra d’améliorer la sensibilité du système de manière significative et d’étendre la gamme d’énergie observable.

La collaboration Hess est constituée de plus de 150 chercheurs (Allemagne, France, Grande Bretagne, Pologne, République tchèque, Irlande, Autriche, Suède, Allemagne, Arménie, Afrique du Sud et Namibie). La plus grande partie du financement de l’observatoire Hess provient du CNRS et de l’Institut Max Planck. Ceci a permis à la France d’apporter une contribution majeure à l’expérience, avec la conception et la construction des quatre caméras rapides de haute sensibilité. Ces caméras s’insèrent dans les structures de télescopes, équipées de miroirs, fournis par l’Allemagne.

Pour en savoir plus

Contact chercheur

  • Mathieu de Naurois, Tél : 01 44 27 23 24
  • Arache Djannati-Ataï, Tél : 01 57 27 69 69
  • Yvonne Becherini, Tél : 01 57 27 61 58

Contact communication

  • IN2P3 : Christina Cantrel, Tél : 01 44 96 47 60
  • IN2P3 (astroparticules) : Jean-Luc Robert, Tél : 01 57 27 61 53
  • Insu : Philippe Chauvin, Tél : 01 44 96 43 36

Contact presse

  • CNRS : Bureau de presse CNRS, Tél : 01 44 96 51 51

[1] Hess : « High energy stereoscopic system »

[2] Institut national de physique nucléaire et de physique des particules

[3] Institut national des sciences de l’Univers

[4] Laboratoires impliqués : LLR (CNRS / École polytechnique), LPNHE (CNRS / Universités Paris 6 et 7), APC (CNRS / Université Paris 7 / CEA / Observatoire de Paris-Meudon), LPTA (CNRS / Université de Montpellier 2), Lapp (CNRS / Université de Savoie), CESR (CNRS / Observatoire Midi-Pyrenées / Université Toulouse 3), LAOG (CNRS / Université Grenoble 1), Luth (CNRS / Observatoire de Paris-Meudon / Université Paris 7), CCIN2P3 (CNRS/IN2P3).

[5] Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers - Irfu / Direction des sciences de la matière - DSM

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