Astronomie Gamma

L'astronomie gamma concerne l'observation du ciel dans le domaine de longueur d'onde des rayons gamma.

Les sources gamma sont les plus énergétiques de l'Univers ; ce sont certaines étoiles en fin de vie, supernovas, rémanents de supernova, hypernovas, pulsars, microquasars, trous noirs stellaires ou supermassifs, galaxies actives, et autres blazars. L'existence de sources gamma a été prédite dans le ciel bien avant que les premières observations n’aient lieu dans les années 60. Feenberg et Primakov (1948), Hayakawa et Hutchinson (1952) ainsi que Morrison (1958) ont ainsi étudié les processus générateurs de rayonnement gamma dans l'Univers, évènements généralement violents puisque impliquant des explosions, collisions à grande vitesse, ou autre jets de particules ultra relativistes. Ces travaux concernaient les interactions entre rayons cosmiques et gaz interstellaire, entre électrons et champs magnétiques (rayonnement synchrotron et effet Compton inverse).

La première observation gamma fut celle des éruptions solaires, présentant un pic à 2,223 MeV produit lors de la réaction proton + neutron produisant du deutérium.

Le premier satellite, Explorer 11, fut lancé en 1961, et n'a détecté qu'une centaine de photons gamma cosmiques, montrant ainsi l'existence d'un fond diffus de photons gamma. Plus tard, un certain nombre de sources gamma ont été observées, mais rarement associables à des sources visibles. Des satellites de défense américains, du type Vela, ont également capté des flashs de lumière gamma dans les années 60-70, flashs provenant de régions situées aux confins de l'Univers. La première source gamma galactique fut découverte en 1967 par OSO-3, mais ce sont vraiment SAS-2 (1972) et COS-B (1975) qui ont permis l'essor de l'astronomie gamma en confirmant l'existence du fond diffus et en révélant de nombreuses sources encore difficiles à situer précisément. La résolution spatiale et temporelle a été ensuite grandement améliorée par le satellite Compton Gamma Ray Observatory qui a fourni une carte gamma complète du ciel, avec la découverte de centaines de sources. A partir de 1996, le satellite Beppo-SAX bien que prévu initialement pour l'étude des rayons X, a également permis l’observation de rayons gamma, permettant ainsi de situer certaines sources avec plus de précision. Depuis 2004 le satellite SWIFT, avec le BAT, a permis la détermination de la contrepartie visuelle de nombreuses sources dans des galaxies lointaines, et de confirmer ainsi que la plupart de ces sources sont le fait de supernovae ou d'hypernovae. Les satellites INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) ainsi que Fermi-GLAST sont les instruments actuellement en activité.

Les rayons gamma les plus énergétiques (>30 GeV) peuvent égalementi être détectés depuis le sol. Ils interagissent avec la haute atmosphère et produisent des gerbes de particules ultra-relativistes (cascades électromagnétiques). Ces particules qui vont plus vite que la vitesse de la lumière dans l'air émettent alors un rayonnement électromagnétique par effet Tcherenkov, i.e. l’équivalent du bang supersonique pour la lumière. Cette lumière, émise dans le bleu et l'UV proche, se propage jusqu'au sol où elle peut être détectée. La première source détectée grâce a cette technique a été la nébuleuse du Crabe, détectée en 1989 par le télescope à imagerie Tcherenkov atmosphérique de l'observatoire Whipple –Arizona-. Ultérieurement, les observatoires High-Energy Gamma Ray Astronomy (HEGRA) ainsi que Cerenkov Atmospheric Telescope (CAT) ont confirmé cette source du Crabe et détecté le rayonnement provenant des blazars Markarian 421 et 501. La technique d'imagerie Tcherenkov atmosphérique est la technique la plus sensible à l'heure actuelle.