Le concept de cet artiste montre le ciel entier en rayons gamma avec des cercles magenta illustrant l’incertitude quant à la direction d’où semblent arriver plus de rayons gamma de haute énergie que la moyenne. Dans cette vue, le plan de notre galaxie traverse le milieu de la carte. Les cercles entourent des régions avec 68 % (intérieure) et 95 % de chances de contenir l’origine de ces rayons gamma. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA
NASALes données du télescope Fermi ont révélé un surprenant signal de rayons gamma en dehors de notre galaxie, potentiellement lié aux particules cosmiques les plus énergétiques, et suggérant de nouveaux phénomènes cosmiques non identifiés.
Les astronomes analysant 13 années de données du télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA ont découvert une caractéristique inattendue et encore inexpliquée en dehors de notre galaxie.
« C’est une découverte totalement fortuite », a déclaré Alexander Kashlinsky, cosmologiste à l’Université du Maryland et au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, qui a présenté la recherche lors de la 243e réunion de l’American Astronomical Society à la Nouvelle-Orléans. « Nous avons trouvé un signal beaucoup plus fort, et dans une partie du ciel différente, que celle que nous recherchions. »
Signal gamma et mystère cosmique
Curieusement, le signal des rayons gamma se trouve dans une direction similaire et avec une amplitude presque identique à une autre caractéristique inexpliquée, produite par certaines des particules cosmiques les plus énergétiques jamais détectées.
Un article décrivant les résultats a été publié le 10 janvier dans Le Lettres de journaux astrophysiques.
Les scientifiques ont combiné 13 années d’observations de rayons gamma au télescope Fermi à grande surface au-dessus d’environ 3 milliards d’électrons-volts (GeV), supprimé toutes les sources discrètes et supprimé le plan central de notre planète. voie Lactée galaxie afin d’analyser le fond gamma extragalactique. L’analyse des données obtenues a révélé une partie du ciel où arrivent plus de rayons gamma de haute énergie que la moyenne. La direction n’est pas connue avec précision. Les cercles montrent les régions où il y a 68 % et 95 % de chances de contenir l’origine de ces rayons gamma pour une approche d’analyse. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA
Enquête sur le fond cosmique des micro-ondes
L’équipe recherchait une caractéristique des rayons gamma liée au CMB (fond cosmique micro-ondes), la lumière la plus ancienne de l’univers. Les scientifiques affirment que le CMB est apparu lorsque l’univers chaud et en expansion s’est suffisamment refroidi pour former les premiers atomes, un événement qui a libéré un éclat de lumière qui, pour la première fois, pouvait imprégner le cosmos. Étirée par l’expansion ultérieure de l’espace au cours des 13 derniers milliards d’années, cette lumière a été détectée pour la première fois sous la forme de faibles micro-ondes dans tout le ciel en 1965.
Structure dipolaire dans le CMB
Dans les années 1970, les astronomes ont réalisé que le CMB avait une structure dite dipolaire, qui a ensuite été mesurée avec une grande précision par la mission COBE (Cosmic Background Explorer) de la NASA. Le CMB est environ 0,12 % plus chaud, avec plus de micro-ondes que la moyenne, vers la constellation du Lion, et plus froid du même montant, avec moins de micro-ondes que la moyenne, dans la direction opposée. Afin d’étudier les infimes variations de température au sein du CMB, ce signal doit être supprimé. Les astronomes considèrent généralement cette tendance comme le résultat du mouvement de notre propre système solaire par rapport au CMB à environ 230 miles (370 kilomètres) par seconde.
Ce mouvement donnera lieu à un signal dipolaire dans la lumière provenant de n’importe quelle source astrophysique, mais jusqu’à présent, le CMB est le seul qui ait été mesuré avec précision. En recherchant cette tendance dans d’autres formes de lumière, les astronomes pourraient confirmer ou contester l’idée selon laquelle le dipôle est entièrement dû au mouvement de notre système solaire.
« Une telle mesure est importante car un désaccord avec la taille et la direction du dipôle CMB pourrait nous donner un aperçu des processus physiques opérant au tout début de l’univers, potentiellement à l’époque où il avait moins d’un billionième de seconde. » a déclaré le co-auteur Fernando Atrio-Barandela, professeur de physique théorique à l’Université de Salamanque en Espagne.
L’équipe recherchait un signal de rayons gamma lié au mouvement de notre système solaire d’environ 370 kilomètres par seconde par rapport au CMB, largement considéré comme responsable de l’émission dipolaire qu’il affiche. Ce qu’ils ont découvert à la place était un signal de rayons gamma 10 fois plus fort que prévu du mouvement de notre galaxie et situé loin du dipôle CMB. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA
Le dipôle gamma surprend les chercheurs
L’équipe a estimé qu’en additionnant plusieurs années de données du LAT (Large Area Telescope) de Fermi, qui balaye l’ensemble du ciel plusieurs fois par jour, un modèle d’émission dipolaire associé pourrait être détecté dans les rayons gamma. Grâce aux effets de la relativité, le dipôle des rayons gamma devrait être amplifié jusqu’à cinq fois par rapport aux CMB actuellement détectés.
Les scientifiques ont combiné 13 années d’observations Fermi LAT de rayons gamma supérieurs à environ 3 milliards d’électrons-volts (GeV) ; à titre de comparaison, la lumière visible a des énergies comprises entre environ 2 et 3 électrons-volts. Ils ont supprimé toutes les sources résolues et identifiées et ont supprimé le plan central de notre galaxie, la Voie lactée, afin d’analyser le fond de rayons gamma extragalactiques.
« Nous avons trouvé un dipôle gamma, mais son pic est situé dans le ciel du sud, loin de celui du CMB, et sa magnitude est 10 fois supérieure à ce que nous attendrions de notre mouvement », a déclaré le co-auteur Chris Shrader, astrophysicien. à l’Université catholique d’Amérique à Washington et à Goddard. « Bien que ce ne soit pas ce que nous recherchions, nous pensons que cela pourrait être lié à une caractéristique similaire signalée pour les rayons cosmiques de plus haute énergie. »
Les rayons cosmiques sont des particules chargées accélérées – principalement des protons et des noyaux atomiques. Les particules les plus rares et les plus énergétiques, appelées UHECR (rayons cosmiques à ultra haute énergie), transportent plus d’un milliard de fois l’énergie des rayons gamma de 3 GeV, et leurs origines restent l’un des plus grands mystères de l’astrophysique.
En haut : Une carte du ciel des rayons gamma extragalactiques dans laquelle le plan central de notre galaxie, représenté en bleu foncé là où les données ont été supprimées, traverse le milieu. Le point rouge et les cercles indiquent la direction approximative d’où semblent arriver plus de rayons gamma que la moyenne. En bas : Une carte similaire du ciel montrant la répartition des rayons cosmiques de très haute énergie détectés par l’Observatoire Pierre Auger en Argentine. Le rouge indique les directions d’où arrivent un nombre de particules supérieur à la moyenne, le bleu indique les directions avec un nombre inférieur à la moyenne. Cette vidéo superpose la carte de Fermi sur la carte des rayons cosmiques, illustrant la similitude des directions dipolaires. Crédit : Kashlinsky et al. 2024 et la Collaboration Pierre Auger
Relier les rayons gamma et les rayons cosmiques
Depuis 2017, l’Observatoire Pierre Auger en Argentine signale un dipôle dans la direction d’arrivée des UHECR. Étant chargés électriquement, les rayons cosmiques sont détournés par le champ magnétique de la galaxie dans des proportions différentes en fonction de leurs énergies, mais le dipôle UHECR culmine dans un endroit du ciel similaire à ce que l’équipe de Kashlinsky trouve dans les rayons gamma. Et les deux ont des magnitudes étonnamment similaires – environ 7 % de rayons gamma ou de particules en plus que la moyenne provenant d’une direction et des quantités proportionnellement plus faibles arrivant de la direction opposée.
Les scientifiques pensent qu’il est probable que les deux phénomènes soient liés : des sources encore non identifiées produisent à la fois des rayons gamma et des particules à très haute énergie. Pour résoudre cette énigme cosmique, les astronomes doivent soit localiser ces sources mystérieuses, soit proposer des explications alternatives pour les deux caractéristiques.
Le télescope spatial Fermi Gamma-ray est un partenariat d’astrophysique et de physique des particules géré par Goddard. Fermi a été développé en collaboration avec le ministère américain de l’Énergie, avec d’importantes contributions d’institutions universitaires et de partenaires en France, en Allemagne, en Italie, au Japon, en Suède et aux États-Unis.
