Un télescope aquatique pour voir le côté le plus chaud et le plus violent de l’univers depuis l’hémisphère sud

Est-il possible de capter la lumière sous forme de rayons gamma provoqués par les phénomènes les plus chauds et les plus violents de l’univers ? Pour rendre les choses encore plus compliquées, il s’avère que cette lumière ne peut même pas atteindre la surface de la Terre. Les instruments optiques conventionnels étant exclus, que diriez-vous d’utiliser un télescope aquatique ?

C’est l’histoire de comment, avec ingéniosité, en tirant parti de différents phénomènes naturels et grâce à la coopération d’ingénieurs, d’astrophysiciens et d’autres spécialistes de 24 pays, il est possible d’enregistrer ce qui semblait au premier abord inaccessible. Et faites-le pour la première fois depuis l’hémisphère sud, pour observer des trous noirs supermassifs au cœur de la Voie lactée.

Rayonnement thermique et cordes de gymnastique

Imaginez-vous aller à la salle de sport et vous tenir devant les « cordes de combat » lourdes et épaisses. Votre objectif est de les secouer pour produire des ondulations. Commencez discrètement. Soulevez lentement les cordes. Puis il les abaisse lentement, une fois par seconde. Les ondes qu’il produit sont longues, avec une fréquence d’une onde par seconde.

Pour le moment, tout est calme, mais il voit arriver cette personne qui fait battre son cœur et ses yeux briller. Vous ne pouvez pas donner l’impression d’être paresseux. Vous devez augmenter la fréquence de ces ondes à mesure que votre fréquence cardiaque augmente. Elle produit désormais deux vagues par seconde, mais lorsque la personne en question se place devant les cordes à côté de vous, elle passe à trois vagues par seconde. Désormais les ondulations sont plus courtes et leur fréquence plus élevée. Il commence à transpirer et à s’agiter. Il est échauffé.

La même chose se produit avec un mécanisme important d’émission de lumière, appelé Radiation thermique. La lumière est une ondulation de champs électriques et magnétiques. Ces ondulations sont produites par les mouvements des particules chargées électriquement du corps émetteur. Si la température du corps est basse, ses particules ont des mouvements calmes et à basse fréquence, identiques aux ondes électromagnétiques qu’elles produisent. Si le corps a une température élevée, ses particules tremblent violemment et produisent des ondes électromagnétiques à haute fréquence et à courte longueur d’onde.

Les nuages ​​​​moléculaires les plus froids de l’univers émettent principalement de la lumière à basse fréquence et à grande longueur d’onde, c’est-à-dire des ondes radio. Alors que les objets de plus en plus chauds ont tendance à émettre de la lumière avec des longueurs d’onde plus courtes. Ce sont les micro-ondes, l’infrarouge, la lumière visible du rouge au violet, l’ultraviolet, les rayons X et, à l’extrémité des objets les plus chauds, sont produits d’abondants rayons gamma, la lumière la plus énergétique de toutes.

Trous noirs et supernovae

Certains des phénomènes les plus intrigants de l’univers, tels que trous noirs oui les supernovassont des scénarios dans lesquels la matière est soumise à des conditions de pression et de température si extrêmes qu’elle finit par émettre intensément des rayons gamma.

Malheureusement pour les astrophysiciens, mais heureusement pour le reste des êtres vivants sur Terre, cette lumière d’une énergie si élevée qu’elle est capable de détruire des molécules en arrachant des électrons de leurs orbites et qui pourrait nous tuer instantanément est bloquée très efficacement par l’atmosphère terrestre. .

Cela pourrait laisser penser que la seule façon de capter les rayons gamma depuis l’espace est de mettre le télescope en orbite. En fait, c’est ce qui se passe avec le Télescope spatial Fermi. Mais il existe un moyen d’étudier les rayons gamma provoqués par les phénomènes astrophysiques les plus extrêmes depuis la surface de la Terre.

Le désordre que causent les rayons gamma lorsqu’ils pénètrent dans l’atmosphère

Lorsqu’ils pénètrent dans l’atmosphère, les rayons gamma frappent les atomes avec une telle force que les réactions en chaîne se décomposent et créent des particules subatomiques. Quelque chose de similaire à ce qui se passe dans le Grand accélérateur de hadrons au CERN. Ces réactions créent une cascade de particules en collision ainsi qu’un rayonnement secondaire, appelé douche à airou en espagnol, cascades atmosphériques.

Étant donné que les rayons gamma fournissent une grande quantité d’énergie aux particules présentes dans les cascades atmosphériques, certaines d’entre elles parviennent à dépasser la vitesse de la lumière dans l’air. Attention, on parle de dépassement de la vitesse de la lumière dans un milieu matériel, en l’occurrence l’air. Il peut également s’agir d’eau, de verre ou d’un autre matériau. Mais pas dans le vide, puisque, à notre connaissance, cette dernière solution est impossible.

Et c’est là que la magie opère. Lorsqu’une particule se déplace plus vite que la lumière dans un milieu matériel, elle émet une lueur bleue. C’est ce qu’on appelle l’effet Tchérenkov et la lumière émise est appelée Rayonnement Tchérenkov. Nous pouvons considérer l’effet Tchérenkov et le rayonnement comme de légers analogues du franchissement du mur du son et du choc sonore provoqué par les avions de combat modernes lorsqu’ils dépassent la vitesse du son.

Les télescopes LA MAGIEaux îles Canaries ; VÉRITASen Arizona ; HESSen Namibie et, bientôt, le CTAOau Chili ainsi qu’aux îles Canaries, sont conçus pour capter le rayonnement Tchérenkov produit dans la haute atmosphère.

Mais il existe une alternative à cette méthode de capture du faible rayonnement Tchérenkov atmosphérique. Il consiste à placer à l’intérieur des conteneurs contenant de l’eau ultrapure et des détecteurs de rayonnement Tcherenkov à haute altitude, à partir d’environ 4 400 mètres d’altitude. L’idée est d’intercepter les cascades atmosphériques avec les conteneurs pour que l’effet Cherenkov se produise dans l’eau.

Observez tout le ciel 24h/24

La détection du rayonnement Tchérenkov dans l’eau présente certains avantages par rapport à la détection dans l’air. Vous n’avez pas besoin d’attendre la nuit pour capturer les éclairs bleus dans l’air. Avec les conteneurs correctement fermés, l’intérieur peut être obscurci et l’observation peut être effectuée 24 heures sur 24.

De plus, les télescopes Tchérenkov dans l’eau permettent une observation simultanée de l’ensemble du ciel, ce que les astronomes appellent l’observation à grand champ. En effet, ils ne dépendent pas de détecteurs orientables qui recherchent le rayonnement Tchérenkov provenant de cascades atmosphériques provenant de certaines zones du ciel, mais plutôt du flash bleu qui se produit à l’intérieur du conteneur lui-même.

Cette méthode est déjà utilisée avec succès dans les observatoires FAUCONau Mexique, et LHASO, en Chine, tous deux enregistrant depuis l’hémisphère nord. Mais à ce jour, aucun instrument de ce type n’existe dans l’hémisphère sud.

Nouvel observatoire sud

Le lancement prochain en Amérique du Sud du Southern Wide Field Gamma Ray Observatory (Observatoire sud de rayons gamma à grand champ o SWGO) permettra d’observer la région du noyau de la Voie Lactée où se trouvent le trou noir supermassif de Sagittarius A* et bien d’autres sources intéressantes de rayons gamma. Elle offre également un potentiel important pour l’étude des rayons cosmiques et de l’anisotropie, c’est-à-dire la variabilité des qualités de la matière selon le point d’observation.

La La collaboration SWGO est composée de 86 instituts de recherche scientifique de quatorze pays: Allemagne, Argentine, Brésil, Chili, Chine, Corée du Sud, Croatie, États-Unis d’Amérique, Italie, Mexique, Pérou, Portugal, Royaume-Uni et République tchèque. Il bénéficie du soutien de scientifiques d’autres pays, tels que l’Australie, la Bolivie, le Costa Rica, la Slovénie, l’Espagne, la France, le Japon, la Pologne, la Suisse et la Turquie. Au total, le projet rassemble une communauté mondiale de plus de 24 pays répartis sur quatre continents.