Une seule crêpe peut capturer l’endroit où vous y enfoncez une paille, mais il faut une pile entière pour enregistrer la direction de la paille. De la même manière, des chercheurs de l’Université de Kobe ont pu imager avec précision un pulsar émettant des rayons gamma (les phares du ciel) avec une pile de films sensibles à la radioactivité sur un ballon. Pour pouvoir connaître l’orientation de la gondole pendante par rapport aux étoiles, ils ont ajouté une caméra stellaire et un dispositif pour horodater les impacts des rayons gamma. Crédit : Université de Kobe
Une pile de films sensibles à la radioactivité transportée dans le ciel par un ballon a permis de prendre l’image la plus précise au monde d’un étoile à neutronsle faisceau de rayons gamma. Cet exploit a été accompli par des chercheurs de l’Université de Kobe, qui ont fusionné les premières techniques de détection des rayonnements radioactifs avec des technologies avancées de capture de données et un dispositif innovant d’enregistrement du temps.
Les étoiles nous éclairent sur toute la gamme du spectre lumineux, de l’infrarouge aux rayons gamma. Pour chacune de ces bandes, différents équipements de détection sont nécessaires. Le plus difficile est celui des rayons gamma, réputés pour être un produit de fission nucléaire à haute énergie, car leur longueur d’onde très courte signifie qu’ils n’interagissent pas avec la matière de la même manière que les autres formes de lumière et ne peuvent donc pas être déviés. avec des lentilles ou détectés par des capteurs standards. Il existe donc une lacune dans notre capacité à détecter la lumière provenant d’objets stellaires fascinants tels que les supernovae et leurs restes.
Le ballon transportant la gondole avec le télescope décolle d’Alice Springs, en Australie. Crédit : Collaboration GRAINE
Approche innovante utilisant des films photographiques
Pour résoudre ce problème, l’astrophysicien de l’Université de Kobe, Aoki Shigeki, et son équipe se sont tournés vers le tout premier matériau utilisé pour détecter la radioactivité, les films photographiques. « Notre groupe s’est concentré sur l’excellente capacité du film en émulsion à tracer les rayons gamma avec une grande précision et a proposé qu’il puisse devenir un excellent télescope à rayons gamma en introduisant plusieurs fonctionnalités modernes de capture et d’analyse de données », explique Aoki.
Basés sur la haute sensibilité de ces films et sur un nouveau processus automatisé et à grande vitesse d’extraction de données, l’idée des physiciens était d’en empiler quelques-uns pour capturer avec précision la trajectoire des particules produites par les rayons gamma. à l’impact, tout comme une seule crêpe peut capturer l’endroit où vous y enfoncez une paille, mais il faut une pile entière pour enregistrer la direction de la paille.
Une coupe du film d’émulsion après développement. Les traces des particules produites par les impacts de rayons gamma sont visibles sous forme de minuscules points grisâtres dans tout le plan. Crédit : Collaboration GRAINE
Pour réduire les interférences atmosphériques, ils ont ensuite monté la pile de films sur un ballon d’observation scientifique pour la soulever à une hauteur comprise entre 35 et 40 kilomètres. Cependant, comme un ballon se balance et se tord dans le vent, la direction du « télescope » n’est pas stable, ils ont donc ajouté un ensemble de caméras pour enregistrer à tout moment l’orientation de la gondole par rapport aux étoiles.
Mais cela a créé un autre problème, car comme le savent tous ceux qui ont déjà pris une photo avec une exposition longue, le film photographique n’enregistre pas le passage du temps et il n’est donc pas directement possible de savoir à quel moment un impact de rayon gamma donné s’est produit. Pour résoudre ce problème, ils ont fait bouger les trois couches inférieures du film d’avant en arrière à des vitesses régulières mais différentes, tout comme les aiguilles d’une horloge. A partir de la dislocation relative des traces dans ces plaques inférieures, ils ont pu alors calculer l’heure précise de l’impact et ainsi la corréler avec les images des caméras.
Imagerie révolutionnaire de Vela Pulsar
Ils viennent de publier la première image résultant de cette configuration dans la revue Le Journal d’astrophysique. C’est l’image la plus précise jamais produite du Vela pulsar, une étoile à neutrons à rotation rapide qui projette un faisceau de rayons gamma dans le ciel comme un phare la nuit. « Nous avons capturé un total de plusieurs milliards de pistes avec une précision de 1/10 000 millimètres. En ajoutant des informations temporelles et en les combinant avec des informations de surveillance d’attitude, nous avons pu déterminer « quand » et « où » les événements se sont produits avec une telle précision que la résolution résultante était plus de 40 fois supérieure à celle des télescopes à rayons gamma conventionnels. Aoki résume les réalisations de son groupe.
L’image du pulsar Vela. L’image a une résolution plus de 40 fois meilleure que celle qui pouvait être obtenue auparavant : le cercle en bas à gauche indique l’étendue de l’image du pulsar pour comparaison avec l’étendue de l’image de la meilleure image de rayons gamma (d’un objet stellaire différent), indiquée par le cercle pointillé. Crédit : Collaboration GRAINE
Bien que ces résultats soient déjà impressionnants, la nouvelle technique ouvre la possibilité de capturer plus de détails que jamais dans cette bande de fréquences de lumière. Le chercheur de l’Université de Kobe explique : « Grâce aux expériences scientifiques effectuées sur des ballons, nous pouvons tenter de contribuer à de nombreux domaines de l’astrophysique, et en particulier d’ouvrir la télescopie à rayons gamma à « l’astronomie multi-messagers » où des mesures simultanées des mêmes des événements capturés par différentes techniques sont nécessaires. Sur la base du succès de l’expérience en ballon de 2018 avec laquelle les données ont été générées, nous élargirons la zone et la durée d’observation lors des prochains vols en ballon et attendons avec impatience des percées scientifiques dans le domaine de l’astronomie des rayons gamma.
Ce travail a été soutenu par les subventions JSPS KAKENHI 17H06132, 18H01228 et 18K13562. Elle a été menée en collaboration avec des chercheurs de l’Université des sciences d’Okayama, de l’Université d’éducation d’Aichi, Université de Nagoyaet l’Université de Gifu.
