Des études récentes sur le SS 433 ont dévoilé les mécanismes à l’origine de ses émissions de rayons gamma, révélant comment les particules sont accélérées dans ses jets. Cette découverte remet en question les théories existantes et permet d’examiner de plus près les processus à l’origine des jets relativistes, cruciaux pour la compréhension des phénomènes cosmiques. Crédit : Issues.fr.com
Comment les rayons gamma suivent la vitesse des jets du microquasar galactique SS 433 et découvrent une accélération de particules très efficace.
- Le microquasar SS 433 s’impose comme l’un des objets les plus intrigants de notre voie Lactée.
- Une paire de faisceaux de direction opposée plasma (« jets ») s’éloignent en spirale perpendiculairement à la surface du disque des systèmes binaires à un peu plus d’un quart de la vitesse de la lumière.
- L’observatoire HESS en Namibie a réussi à détecter les rayons gamma de très haute énergie émis par les jets du SS 433 et à identifier l’emplacement exact dans les jets de l’un des accélérateurs de particules les plus efficaces de la galaxie.
- Grâce à la comparaison d’images de rayons gamma à différentes énergies, la collaboration HESS a pu pour la première fois estimer la vitesse du jet loin de son site de lancement, limitant ainsi le mécanisme qui accélère si efficacement les particules.
SS 433 s’impose comme l’un des objets les plus intrigants de notre Voie Lactée. À la base, un trou noir extrait la matière d’une étoile compagnon en orbite proche, créant un disque d’accrétion chaud. Notamment, deux faisceaux de plasma (« jets ») dirigés de manière opposée s’éloignent en spirale perpendiculairement à la surface du disque à un peu plus d’un quart de la vitesse de la lumière. L’observatoire HESS en Namibie a réussi à détecter les rayons gamma de très haute énergie émis par les jets du SS 433 et à identifier l’emplacement exact dans les jets de l’un des accélérateurs de particules les plus efficaces de la galaxie. En comparant des images de rayons gamma à différentes énergies, des scientifiques du Max-Planck-Institut für Kernphysik à Heidelberg et de la collaboration HESS ont révélé le mouvement et la dynamique d’un jet relativiste dans notre propre galaxie, offrant ainsi des informations précieuses sur ces phénomènes astrophysiques extraordinaires. Les résultats sont publiés dans le numéro actuel de la revue Science.
Visualisation vidéo d’impression d’artiste du système SS 433 et résumé des principaux résultats de l’article. Crédit : Laboratoire de communication scientifique pour MPIK/HESS
La merveille unique d’Arthur C. Clarke : SS 433
L’auteur de science-fiction Arthur C. Clarke a sélectionné ses sept merveilles du monde dans une série télévisée de la BBC en 1997. Le seul objet astronomique qu’il a inclus était le SS 433. Il avait déjà attiré l’attention à la fin des années 1970 en raison de son émission de rayons X. et a été découvert plus tard comme étant au centre d’une nébuleuse gazeuse surnommée la nébuleuse du lamantin en raison de sa forme unique ressemblant à ces mammifères aquatiques.
Le mystère des jets du SS 433
SS 433 est un système d’étoiles binaires dans lequel un trou noir, d’une masse environ dix fois supérieure à celle du Soleil, et une étoile, de masse similaire mais occupant un volume beaucoup plus important, tournent autour l’un de l’autre sur une période de 13 jours. Le champ gravitationnel intense du trou noir arrache la matière de la surface de l’étoile, qui s’accumule dans un disque de gaz chaud qui alimente le trou noir. Lorsque la matière tombe vers le trou noir, deux jets collimatés de particules chargées (plasma) sont lancés, perpendiculairement au plan du disque, à un quart de la vitesse de la lumière (voir figure 1).
Figure 1. Vue d’artiste du système SS 433, représentant les jets à grande échelle (en bleu) et la nébuleuse du lamantin environnante (en rouge). Les jets ne sont initialement observables qu’à une courte distance du microquasar après le lancement – trop petite pour être visible sur cette image. Les jets voyagent ensuite sans être détectés sur une distance d’environ 75 années-lumière (25 parsecs) avant de subir une transformation, réapparaissant brusquement sous la forme de sources lumineuses d’émission non thermique (rayons X et gamma). Les particules sont efficacement accélérées à cet endroit, indiquant probablement la présence d’un choc violent : une discontinuité dans le milieu capable d’accélérer les particules. Crédit : Laboratoire de communication scientifique pour MPIK/HESS
Les jets de SS433 peuvent être détectés dans la gamme des rayons radio et X jusqu’à une distance de moins d’une année-lumière de chaque côté de l’étoile binaire centrale, avant qu’ils ne deviennent trop faibles pour être vus. Pourtant, étonnamment, à environ 75 années-lumière de leur site de lancement, les jets réapparaissent brusquement sous la forme de sources de rayons X lumineuses. Les raisons de cette réapparition ont longtemps été mal comprises.
Des jets relativistes similaires sont également observés émanant des centres de galaxies actives (par exemple quasars), bien que ces jets soient beaucoup plus grands que les jets galactiques du SS 433. En raison de cette analogie, des objets comme le SS 433 sont classés comme microquasars.
Détection révolutionnaire des rayons gamma
Jusqu’à récemment, aucune émission de rayons gamma n’avait été détectée par un microquasar. Mais cela a changé en 2018, lorsque l’Observatoire de rayons gamma Cherenkov (HAWC) a réussi pour la première fois à détecter des rayons gamma de très haute énergie provenant des jets du SS 433. Cela signifie que quelque part dans les jets, des particules sont accélérés à des énergies extrêmes. Malgré des décennies de recherche, on ne sait toujours pas comment ni où les particules sont accélérées dans les jets astrophysiques.
Figure 2. Images composites du SS 433 montrant trois gammes d’énergie différentes des rayons gamma. En vert, les observations radio montrent la nébuleuse du lamantin avec le microquasar visible sous la forme d’un point brillant près du centre de l’image. Les lignes pleines montrent le contour de l’émission de rayons X des régions centrales et des jets à grande échelle après leur réapparition. Les couleurs rouges représentent l’émission de rayons gamma détectée par HESS à a) des énergies faibles (0,8-2,5 TeV, à gauche), b) intermédiaires (2,5-10 TeV, au milieu) et c) élevées (> 10 TeV, à droite). La position de l’émission de rayons gamma s’éloigne du site de lancement central à mesure que l’énergie diminue. Crédit : Contexte : NRAO/AUI/NSF, K. Golap, M. Goss ; le Wide Field Survey Explorer (WISE) de la NASA ; Radiographie (contours verts) : ROSAT/M. Brinkmann ; TeV (couleurs rouges) : collaboration HESS.
L’étude de l’émission de rayons gamma des microquasars offre un avantage crucial : alors que la région concernée des jets de SS 433 est plus de 50 fois plus petite que celle de la galaxie active la plus proche (Centaure A), SS 433 est située à l’intérieur de la Voie Lactée. mille fois plus proche de la Terre. En conséquence, la taille apparente de la région concernée dans les jets du SS 433 dans le ciel est beaucoup plus grande et ses propriétés sont donc plus faciles à étudier avec la génération actuelle de télescopes à rayons gamma.
Localisation de l’émission de rayons gamma
Incité par la détection HAWC, l’Observatoire HESS a lancé une campagne d’observation du système SS 433. Cette campagne a abouti à environ 200 heures de données et à une détection claire de l’émission de rayons gamma des jets du SS 433. La résolution angulaire supérieure des télescopes HESS par rapport aux mesures antérieures a permis aux chercheurs d’identifier l’origine des rayons gamma. émission dans les jets pour la première fois, donnant des résultats intrigants :
Bien qu’aucune émission de rayons gamma ne soit détectée depuis la région binaire centrale, l’émission apparaît brusquement dans les jets externes à une distance d’environ 75 années-lumière de chaque côté de l’étoile binaire, conformément aux observations de rayons X précédentes.
Cependant, ce qui a le plus surpris les astronomes, c’est le changement de position de l’émission des rayons gamma lorsqu’elle est observée à différentes énergies.
Les photons gamma, dont les énergies sont les plus élevées, supérieures à 10 téraélectrons-volts, ne sont détectés qu’au point où les jets réapparaissent brusquement (voir figure 2c). En revanche, les régions émettant des rayons gamma de plus faibles énergies apparaissent plus loin le long de chaque jet (voir figure 2).
L’observatoire HESS, situé dans les hautes terres de Khomas en Namibie, à une altitude de 1835 m sous le ciel du sud. Crédit : Sabine Gloaguen
« Il s’agit de la toute première observation d’une morphologie dépendante de l’énergie dans l’émission de rayons gamma d’un jet astrophysique », remarque Laura Olivera-Nieto, du Max-Planck-Institut für Kernphysik à Heidelberg, qui dirigeait l’étude HESS sur SS 433 dans le cadre de sa thèse de doctorat. « Nous avons d’abord été perplexes face à ces résultats. La concentration de photons à haute énergie sur les sites de réapparition des jets de rayons X signifie qu’une accélération efficace des particules doit avoir lieu à cet endroit, ce qui n’était pas prévu.
La science derrière le phénomène
Les scientifiques ont simulé la dépendance énergétique observée de l’émission de rayons gamma et ont pu obtenir la toute première estimation de la vitesse des jets externes. La différence entre cette vitesse et celle avec laquelle les jets sont lancés suggère que le mécanisme qui a accéléré les particules plus loin est un choc puissant, une transition brutale dans les propriétés du milieu. La présence d’un choc fournirait alors également une explication naturelle à la réapparition des jets aux rayons X, car les électrons accélérés produisent également des rayons X.
« Quand ces particules rapides entrent en collision avec une particule légère (photon), ils transfèrent une partie de leur énergie – c’est ainsi qu’ils produisent les photons gamma de haute énergie observés avec HESS. Ce processus est appelé effet Compton inverse », explique Brian Reville, chef du groupe Théorie astrophysique des plasmas à l’Institut Max Planck. pour la physique nucléaire à Heidelberg.
Dévoilement de l’accélération des particules dans SS 433
« Il y a eu beaucoup de spéculations sur l’apparition d’une accélération des particules dans ce système unique – ce n’est plus le cas aujourd’hui : les résultats HESS identifient réellement le site de l’accélération, la nature des particules accélérées, et nous permettent de sonder le mouvement des particules. jets à grande échelle lancés par le trou noir», souligne Jim Hinton, directeur de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg et chef du département d’astrophysique non thermique.
« Il y a quelques années à peine, il était impensable que les mesures des rayons gamma au sol puissent fournir des informations sur la dynamique interne d’un tel système », ajoute la co-auteure Michelle Tsirou, chercheuse postdoctorale à DESY Zeuthen.
En revanche, on ne sait rien de l’origine des chocs sur les sites de réapparition de l’avion. « Nous ne disposons pas encore d’un modèle capable d’expliquer uniformément toutes les propriétés du jet, car aucun modèle n’a encore prédit cette caractéristique », explique Olivera-Nieto. Elle souhaite ensuite se consacrer à cette tâche – un objectif louable, car la proximité relative du SS 433 avec la Terre offre une opportunité unique d’étudier l’apparition de l’accélération des particules dans les jets relativistes. On espère que les résultats pourront être transférés aux jets mille fois plus grands des galaxies actives et des quasars, ce qui contribuerait à résoudre les nombreuses énigmes concernant l’origine des rayons cosmiques les plus énergétiques.
