Des rayons gamma de grande puissance en provenance de Centaurus A

Des chercheurs, appartenant à des laboratoires de l’IN2P3-CNRS et de l’INSU-CNRS, dans le cadre d’une collaboration internationale utilisant les télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), ont découvert une émission gamma aux très hautes énergies (supérieure à 100 GeV) en provenance de Centaurus A, le plus proche émetteur radio extragalactique puissant. Cette découverte démontre que les particules sont accélérées à de très hautes énergies dans ce type de source, suggérant ainsi que l'émission gamma aux très hautes énergies est un phénomène commun à beaucoup de galaxies à noyaux actifs.

Les noyaux actifs sont des régions très compactes, mais extrêmement lumineuses, situées au coeur de certaines galaxies, d’où leur nom de galaxies à noyaux actifs (AGN). On pense généralement qu'ils tirent leur puissance d'un trou noir central de plusieurs millions de masses solaires. De la matière constituée d'étoiles et de gaz spirale autour du trou noir en s'en approchant. Une fraction de cette matière tombe dans le trou noir, l’autre partie étant éjectée. Il en résulte deux jets de directions opposées, souvent plus grands que la galaxie toute entière, composés de particules se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Les noyaux actifs, suivant l'angle sous lequel on les voit, présentent des caractéristiques très différentes. Les noyaux actifs les plus brillants aux très hautes énergies (THE), mais aussi les moins nombreux, sont ceux que l'on observe selon l'axe des jets. On appelle ces AGN des "blazars", d'après une contraction entre BL Lacertae et quasar qui sont deux types de galaxies à noyaux actifs. Les autres AGN pour lesquels les jets sont vus de profil sont, beaucoup plus nombreuses. Ce sont de puissants émetteurs d’onde radio et la galaxie Centaurus A en fait partie.

A ce jour, 25 sources situées hors de notre Galaxie sont connues pour émettre des rayons gamma THE. La grande majorité d'entre elles appartient à la classe des blazars dont le jet pointe dans la direction de notre ligne de visée. Une forte amplification relativiste du flux observé résulte de cette orientation particulière : la source apparaît comme plus brillante et les photons émis semblent avoir une plus grande énergie qu'ils n'ont en réalité.

Centaurus A, située à environ 12 millions d'années-lumière, est une des plus proches galaxies hébergeant un noyau actif. Ses jets couvrent une vaste région du ciel de dimension apparente dépassant 100 fois celle de la pleine Lune mais on ne les voit pas à l'oeil nu.
La proximité de Centaurus A en fait une cible idéale pour l'étude des propriétés des noyaux actifs : des composantes individuelles, comme les jets, peuvent être spatialement résolues et ont été cartographiées en particulier en radio, en optique et en rayons X. Centaurus A pourrait également être une source de rayons cosmiques d'ultra haute énergie, selon des observations récentes effectuées par l'Observatoire Pierre Auger.

La détection par H.E.S.S. d’une émission en rayons gamma THE provenant de Centaurus A, qui est un objet considéré comme moins extrême que les blazars, ouvre de nouveaux champs d’investigation pour les chercheurs, avec à la clé une meilleure compréhension : du comportement de la matière près du trou noir central, de la formation des jets, de l’accélération de la matière à de très hautes énergies.

Notre atmosphère est opaque à aux rayons gamma THE : ils sont absorbés lors de leur entrée dans l'atmosphère et créent une gerbe de particules élémentaires rapides. Lors de leur propagation dans l'atmosphère, ces particules produisent un faible flash très bref de lumière bleutée, le rayonnement Tcherenkov, que l'on sait exploiter en astronomie seulement depuis quelques années.

L'expérience H.E.S.S., un réseau de télescopes situé en Namibie, a capturé de tels flashes en provenance de Centaurus A pendant plus de 100h entre 2004 et 2008, qui ont conduit à la détection de la source énergétique. L'image du cosmos vu aux très hautes énergies s'enrichit d'un nouveau type de sources extragalactiques, les radiogalaxies. Ces observations suggèrent que l'accélération de particules à de très hautes énergies (au-delà de 100 GeV, soit plus de 100 milliards d'électron-Volts), pourrait être un phénomène fréquent dans les noyaux actifs de galaxie et l'environnement des trous noirs massifs.