Grâce à des télescopes spéciaux, les chercheurs ont observé un accélérateur de particules cosmiques comme jamais auparavant. Les observations réalisées avec l’observatoire de rayons gamma H.E.S.S. en Namibie montrent pour la première fois le déroulement d’un processus d’accélération dans un processus stellaire appelé nova, qui comprend de puissantes éruptions à la surface d’une naine blanche. Une nova crée une onde de choc qui déchire le milieu environnant, entraînant les particules avec elle et les accélérant jusqu’à des énergies extrêmes. De manière surprenante, la nova « RS Ophiuchi » semble provoquer l’accélération des particules à des vitesses atteignant la limite théorique, correspondant à des conditions idéales. Ces recherches ont été publiées dans la revue Science.

Les naines blanches sont de vieilles étoiles épuisées qui se sont effondrées sur elles-mêmes pour devenir des objets extrêmement compacts. Les événements Novae se produisent, par exemple, lorsqu’une naine blanche se trouve dans un système binaire avec une grande étoile, et que la naine blanche rassemble les matériaux de son compagnon plus massif en raison de sa gravité. Une fois que les matériaux rassemblés dépassent un niveau critique, ils déclenchent une explosion thermonucléaire à la surface de la naine blanche. Certaines novae sont connues pour se répéter. RS Ophiuchi est l’une de ces novae récurrentes ; une explosion se produit à sa surface tous les 15 à 20 ans. « Les étoiles formant le système sont à peu près à la même distance les unes des autres que la Terre et le Soleil », explique Alison Mitchell, chercheuse à la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg et investigatrice principale du programme H.E.S.S Nova. « Lorsque la nova a explosé en août 2021, les télescopes H.E.S.S. nous ont permis d’observer pour la première fois une explosion galactique en rayons gamma de très haute énergie », poursuit-elle.

Le groupe de recherche a observé que les particules ont été accélérées à des énergies plusieurs centaines de fois supérieures à celles observées précédemment dans les novae. De plus, l’énergie libérée par l’explosion a été transformée de manière extrêmement efficace en protons accélérés et en noyaux lourds, de sorte que l’accélération des particules a atteint les vitesses maximales calculées dans les modèles théoriques. Selon Ruslan Konno, l’un des principaux auteurs de l’étude et doctorant au DESY à Zeuthen, « l’observation que la limite théorique de l’accélération des particules peut effectivement être atteinte dans les véritables ondes de choc cosmiques a d’énormes implications pour l’astrophysique. Elle suggère que le processus d’accélération pourrait être tout aussi efficace dans leurs parents beaucoup plus extrêmes, les supernovae. »

Pendant l’éruption de RS Ophiuchi, les chercheurs ont pu pour la première fois suivre le développement de la nova en temps réel, ce qui leur a permis d’observer et d’étudier l’accélération des particules cosmiques comme s’ils regardaient un film. Les chercheurs ont pu mesurer les rayons gamma de haute énergie jusqu’à un mois après l’explosion. « C’est la première fois que nous avons pu réaliser des observations de ce type, et cela nous permettra à l’avenir d’obtenir des informations encore plus précises sur le fonctionnement des explosions cosmiques », explique Dmitry Khangulyan, astrophysicien théorique à l’université Rikkyo de Tokyo, au Japon. « Nous pourrions, par exemple, découvrir que les novae contribuent à la mer omniprésente de rayons cosmiques et ont donc un effet considérable sur la dynamique de leur environnement immédiat. » Les rayons cosmiques sont d’immenses averses de particules subatomiques énergétiques qui proviennent de toutes les directions de l’espace au même moment, et dont l’origine exacte n’est pas claire.

Des télescopes spécifiques ont été nécessaires pour ces mesures. L’installation H.E.S.S. (qui signifie High Energy Stereoscopic System) en Namibie se compose de cinq télescopes Cherenkov qui sont utilisés pour étudier les rayons gamma provenant de l’espace. Une nouvelle caméra de pointe très sensible, appelée FlashCam, a récemment été installée dans le plus grand télescope. La conception de la FlashCam est actuellement en cours de développement pour la prochaine génération d’observatoire des rayons gamma, le Cherenkov Telescope Array (CTA). « La nouvelle caméra est utilisée depuis fin 2019, et cette mesure montre à quel point la dernière génération de caméras a du potentiel », explique Simon Steinmaßl, doctorant à l’Institut Max Planck de physique nucléaire de Heidelberg, qui a participé à l’analyse des données de la caméra.

Les télescopes ont été pointés vers la nova dans un délai très court après que des astronomes amateurs aient signalé la nova à la communauté des astrophysiciens. Le succès de l’observation est dû en grande partie à la réaction rapide des chercheurs et de la communauté astronomique au sens large, ouvrant la voie à de nombreuses observations ultérieures. Le directeur de H.E.S.S., Stefan Wagner, professeur à l’observatoire régional de Heidelberg, explique : « Au cours des prochaines années, les recherches menées à l’aide des télescopes du CTA montreront si ce type de nova est particulier. » En outre, les chercheurs ont désormais une idée plus précise de ce qu’il faut rechercher. Cela donne lieu à un certain nombre de nouvelles possibilités pour mieux comprendre et être en mesure d’expliquer les événements liés aux novae. « Cette mesure est un nouveau succès pour l’astronomie à rayons gamma et un signe encourageant que nous serons en mesure d’étudier beaucoup plus d’explosions cosmiques avec H.E.S.S. et les télescopes à rayons gamma du futur. »

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