Le télescope Fermi

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Le télescope Fermi découvre l'explosion la plus violente jamais observée dans l'Univers
Le sursaut gamma le plus violent jamais observé a été détecté par le « Fermi Gamma-ray Space Telescope », observatoire spatial en rayons gamma. L'énergie totale libérée, la vitesse d'éjection lors de l'explosion et l'énergie extrême de la lumière émise sont exceptionnelles. Cinq équipes françaises de l'IN2P3/CNRS, du CEA et Université Paris Diderot, et de l'INSU/CNRS ont participé à l'analyse et l'interprétation de ces résultats publiés dans la revue Science Express du 19 février 2009.
Les sursauts gamma sont de fulgurantes bouffées de rayons gamma qui peuvent durer d'une fraction de seconde à quelques minutes, généralement suivies d'une émission rémanente plus faible sur plusieurs jours. La plupart des sursauts proviendrait de l'effondrement en trou noir du coeur d'étoiles très massives à la fin de leur vie. La formation du trou noir s'accompagne d'une violente éjection de plasma qui expulse une partie de la matière de l'étoile sous forme d'un jet filant à une vitesse très proche de celle de la lumière.

Apparu dans la constellation de la Carène, le sursaut GRB 080916C a été enregistré par les deux instruments de Fermi. De par leur très grande couverture en énergie (de 10 000 eV à plus de 10 milliards d'eV), ils constituent un observatoire des sursauts gamma unique au monde. Le détecteur « Gamma-ray Burst Monitor » a fourni l'alerte initiale à basse énergie et le « Large Area Telescope » a permis de l'étudier à haute énergie. Les rayons les plus extrêmes qui ont quitté la source transportaient 30 milliards de fois plus d'énergie que la lumière visible.

Un troisième instrument au sol, le Gamma-Ray Burst Optical/Near-Infrared Detector (GROND), a détecté GRB 080916C dans sa phase d'émission rémanente. Ces observations à différentes longueurs d'ondes ont permis d'estimer sa distance à environ 12,2 milliards d'années-lumière, ce qui le rend extraordinaire par sa formidable puissance. Les scientifiques ont estimé(5) que cette dernière dépasse celle de 8000 supernovae, avec l'équivalent énergétique(6) de 5 masses solaires émis en moins de 60 secondes sous forme de rayons X et gamma. Au sein du jet, la matière fut expulsée à plus de 99,9999 % de la vitesse de la lumière. Toutes ces propriétés font de ce sursaut gamma le plus violent de tous les objets célestes jamais observés.

Les scientifiques de Fermi ont également observé un retard d'environ 5 secondes dans les temps d'arrivée des rayons gamma de différentes énergies. Un tel décalage, déjà observé sur un autre sursaut, pourrait signifier que les basses et hautes énergies sont produites dans des régions distinctes du jet et ainsi conduire à mieux cerner les mécanismes d'accélération des particules qui y sont à l'oeuvre.

Les rayons gamma résultent des phénomènes les plus extrêmes de l'Univers. Les objets célestes associés à ces phénomènes, mettant en jeu des quantités d'énergie inimaginables, sont le siège d'accélération de particules à très haute énergie. La liste de tels objets inclut les jets des noyaux actifs de galaxies, les vestiges de supernovae, les pulsars, et les sursauts gamma, notamment. Depuis le lancement du satellite à l'été 2008, Fermi repousse les limites d'observation de l'Univers lointain.

Le « Fermi Gamma-ray Space Telescope » de la NASA est développé en collaboration avec le Département de l'Energie américain, avec d'importantes contributions d'instituts et partenaires en France, Allemagne, Italie, Japon, Suède et aux Etats-Unis.

source http://www2.cnrs.fr/presse/communique/1538.htm

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Il n'était pas du tout sûr, quand le satellite Fermi a été lancé, que l'on puisse détecter des pulsars milliseconde par leur émission gamma. Aujourd'hui, après neuf mois de fonctionnement, l'émission pulsée gamma est confirmée pour huit d'entre eux. Fermi révèle aussi une émission continue de gammas dans la direction de l'amas globulaire 47 Tuc, où résident 23 pulsars milliseconde. D'autres amas globulaires du ciel du Nord sont aussi sur les rangs pour des détections semblables. Enfin, Fermi a découvert une nouvelle population de pulsars, constituée de 16 sources très puissantes en gamma, mais sans qu'aucune contre-partie ni en X ni en radio ne soit observée, à l'instar de Geminga, qui était jusqu'à peu l'unique specimen de ce type. Plus de 60% des détections de pulsars ont été possibles grâce aux éphémérides précises de leur rotation apparente obtenues en radio. Le radiotélescope de Nançay, avec son instrumentation de dédispersion cohérente de dernière génération, a joué un rôle moteur dans cette moisson de résultats. Ces observations complémentaires permettent en particulier de contraindre les mécanismes d'émission gamma en analysant le déphasage entre les courbes de lumière obtenues en radio et celles obtenues à haute énergie (X et gamma).

source http://www.obspm.fr/actual/nouvelle/jul09/pulsar.fr.shtml

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Il n'était pas du tout sûr, quand le satellite Fermi a été lancé, que l'on puisse détecter des pulsars milliseconde par leur émission gamma. Aujourd'hui, après neuf mois de fonctionnement, l'émission pulsée gamma est confirmée pour huit d'entre eux. Fermi révèle aussi une émission continue de gammas dans la direction de l'amas globulaire 47 Tuc, où résident 23 pulsars milliseconde. D'autres amas globulaires du ciel du Nord sont aussi sur les rangs pour des détections semblables. Enfin, Fermi a découvert une nouvelle population de pulsars, constituée de 16 sources très puissantes en gamma, mais sans qu'aucune contre-partie ni en X ni en radio ne soit observée, à l'instar de Geminga, qui était jusqu'à peu l'unique specimen de ce type. Plus de 60% des détections de pulsars ont été possibles grâce aux éphémérides précises de leur rotation apparente obtenues en radio. Le radiotélescope de Nançay, avec son instrumentation de dédispersion cohérente de dernière génération, a joué un rôle moteur dans cette moisson de résultats. Ces observations complémentaires permettent en particulier de contraindre les mécanismes d'émission gamma en analysant le déphasage entre les courbes de lumière obtenues en radio et celles obtenues à haute énergie (X et gamma).



Les pulsars sont des étoiles à neutrons, résidus de l'explosion d'une grosse étoile d'une dizaine de fois la masse du Soleil... Grâce à leur rotation rapide (jusqu'à 800 tours par seconde), leur très fort champ magnétique (~ 1013 gauss) accélère des particules chargées depuis la surface de l'étoile, ou depuis certaines cavités externes de sa magnétosphère, et produit deux faisceaux de rayonnement qui balaient l'espace comme le faisceau d'un phare. La géométrie de cette émission est complexe et son mécanisme encore mal connu. On dénombre aujourd'hui près de 1800 pulsars radio. Il y a quelques mois encore on n'en connaissait que six emettant dans les hautes énergies au voisinage du GeV, détectés par l'instrument EGRET du Compton Gamma Ray Observatory à la fin des années 90. Le Large Area Telescope (LAT) à bord du satellite Fermi est en opération depuis août 2008, après un lancement réussi le 11 juin précédent. Sa plus grande sensibilité a permis en seulement quelque mois de détecter plusieurs dizaines de pulsars, dont plus d'un tiers étaient encore inconnus. Ces nouvelles détections ont pour la plupart été le fruit d'une campagne de suivi multi-longueur d'onde, d'abord en radio, mais aussi en X pour certains candidats [1]. Cette campagne d'observation a regroupé les efforts des équipes spécialistes des pulsars auprès des plus grands radiotélescopes mondiaux : Jodrell Bank (Manchester, UK) et NRT (Nançay, FR) pour l'Europe, l'ATNF (Parkes, AU) pour l'hémisphère Sud, et le GBT (Green Bank, US) et le CSIRO (Arecibo, US) pour l'Amérique du Nord. La contre-partie X est quant à elle conduite avec les satellites RXTE et XMM-Newton. Le radiotélescope de Nançay a tiré la part belle dans ce projet, puisque nous y suivons avec une grande régularité près de la moitié des meilleurs candidats gamma identifiés, soit plus d'une centaine d'objets. La spécialisation de Nançay dans l'observation des pulsars les plus rapides (milliseconde) a été un atout majeur dans cette campagne.

Le suivi radio et la production d'éphémérides sont indispensables à plus d'un titre. D'une part parce qu'ils permettent, en contrôlant les moindres variations de la rotation du pulsar, d'intégrer à la bonne phase rotationnelle les rares photons gamma qui nous parviennent (1 photon seulement capturé par le LAT pour 500 rotations du puissant pulsar gamma abrité par la nébuleuse du Crabe !) et de mettre ainsi en valeur la pulsation gamma si elle existe. D'autre part, en comparant les phases absolues du signal en radio, en X et en gamma, et en analysant la forme du faisceau et la puissance reçue en fonction de la longueur d'onde, on peut mettre en évidence les mécanismes physiques à l'origine de l'émission. Plusieurs modèles ou scénarios ont co-existé en effet jusqu'à aujourd'hui pour expliquer cette émission phénoménale : les modèles dits de « calotte polaire » où les photons sont émis en cascades par des particules chargées arrachées de la surface, près des pôles de l'étoile, et les modèles dits à « cavité externe », où l'émission provient d'une altitude plus élevée aux abords du cylindre de lumière. Le rayon du cylindre de lumière est la distance au-delà de laquelle les lignes de champ magnétique sont brisées par la rotation de l'étoile, la couche émettrice atteignant alors la vitesse de la lumière.

Ceux que l'on appelle les pulsars milliseconde forment une classe distincte d'objets, avec des périodes de rotation extrêmement courtes atteignant 1 à 2 ms par tour seulement pour les plus rapides, un champ magnétique faible (108 à 109 gauss quand même !) et une perte d'énergie par freinage relativement limitée. Ils représentent moins de 10% de la population totale connue à ce jour, et on pense qu'il s'agit de pulsars vieux qui ont été ré-accélérés en dérobant de la matière, et donc du moment cinétique, à leur étoile compagnon au sein d'un système binaire. Mis à part quelques rares cas, on pensait que pour les pulsars milliseconde, l'énergie disponible pour déclencher et alimenter une émission de haute énergie était en dessous d'un certain seuil prévu par les modèles, et donc qu'on ne les verrait pas en gamma. Or, avec 8 détections avérées, Fermi est en train de mettre en évidence toute une population de pulsars gamma parmi ces pulsars milliseconde [2]. Tout comme les deux autres catégories détectées, les pulsars jeunes dits « normaux » à émission radio (plus de 20 objets), ou ceux qui ne sont connus qu'en gamma (16 objets, [3]), les pulsars milliseconde favorisent particulièrement les modèles où l'émission a lieu à haute altitude dans la magnétosphère externe du pulsar [4, 5, 6].

Comme annoncé, Fermi nous apporte donc la statistique suffisante en terme de population, pour comprendre et contraindre enfin les processus d'émission dans ces objets étranges que sont les étoiles à neutrons. Plus surprenant peut-être, il semble que les pulsars soient associés aux (où même à l'origine des) phénomènes les plus violents dans notre Galaxie, et qu'ils puissent jouer un rôle essentiel dans l'équilibre énergétique et l'évolution à long terme de la Voie Lactée.

source http://www.obspm.fr/actual/nouvelle/jul09/pulsar.fr.shtml

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L'éruption exceptionnelle d'un « blazar » a été détectée par les équipes de la collaboration Fermi, qui implique le CNRS-IN2P3 et INSU et le CEA-Irfu. Cette galaxie à noyau actif est ainsi devenue la source la plus brillante du ciel observée en rayons gamma. Sa détection devrait permettre de donner un éclairage unique sur le fonctionnement de ces objets cosmiques extraordinaires.

Appartenant à la famille des blazars, la galaxie 3C 454.3, située à 7,2 milliards d'années lumière dans la constellation de Pégase, a attiré l'attention de l'équipe du télescope Fermi, lancé par la Nasa, et des astronomes du monde entier. Une série d'éruptions successives débutée le 15 septembre a rendu cette galaxie 10 fois plus lumineuse que l'été dernier, en faisant ainsi la source la plus brillante du ciel observée en rayons gamma.

Comme beaucoup de galaxies à noyaux actifs, les blazars émettent des jets dirigés dans des directions opposés de part et d'autre du plan de la galaxie. Ces jets sont composés de particules accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière grâce à l'énergie provenant de matière tombant vers le trou noir du centre de la galaxie. La brillance exceptionnelle en rayons gamma d'un blazar s'explique par son orientation : l'un des jets est pointé directement vers nous, ce qui amplifie sa luminosité.

La source persistante la plus brillante du ciel gamma est habituellement le pulsar Vela (étoile à neutrons), distant de seulement 1000 années lumière. « La galaxie active 3C454.3 est 7 millions de fois plus éloignée et pourtant, durant l'éruption actuelle, elle est deux fois plus brillante que Vela », précise Lise Escande, doctorante au CENBG (Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan), qui travaille sur l'analyse scientifique de cet événement au sein de la collaboration internationale Fermi[5]. « Cela représente une quantité incroyable d'énergie rayonnée, qui ne peut pas être maintenue continuellement. » La cause des variations d'activité reste indéterminée, mais elle est probablement liée à des phénomènes ayant lieu dans le disque d'accrétion qui alimente le jet en énergie ou au voisinage immédiat du trou noir d'où émerge le jet.

Les blazars émettent aussi des rayonnements de plus basse énergie. La luminosité de 3C 454.3 a également augmenté dans les domaines radio, optique et X. L'activité est constamment surveillée par un réseau d'observatoires répartis sur l'ensemble du globe, les variations corrélées entre différents rayonnements étant riches d'enseignement. Des événements exceptionnels tels que l'éruption de 3C454.3 fournissent un éclairage unique sur les phénomènes à l'œuvre et les conditions physiques qui prévalent dans ces objets extraordinaires.

nota : Les blazars sont des quasars dont les jets de particules sont orientés dans notre direction

source http://www.insu.cnrs.fr/co/ama09/fermi-detecte-l-eruption-la-plus-intense-jamais-observee-en-rayons-gamma

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Grâce au satellite Fermi, les chercheurs de la Nasa ont détecté des faisceaux d'antimatière produits au-dessus des orages sur la Terre, un phénomène jamais vu auparavant.

« En orbite, en moins de trois ans, la mission Fermi s'est révélée être un formidable outil pour sonder l'univers. Nous apprenons maintenant qu'elle peut découvrir des mystères beaucoup, beaucoup plus proches de chez nous » s’enthousiasme Ilana Harrus, scientifique chargée du programme Fermi, au siège de la NASA à Washington.

Le satellite a été conçu pour observer les rayons gamma, la forme la plus énergétique de la lumière. Ils peuvent être produits lors de phénomènes astronomiques violents comme les supernovæ ou lors de l’annihilation d’une paire de particule/antiparticule, lorsqu’un électron rencontre un positron par exemple. Dans ce dernier cas, le rayonnement gamma a une énergie déterminée de 511 000 électronvolts, 511 Kev.

C’est exactement de tels rayonnements que le télescope Fermi a capté en provenance de la Terre. En tout depuis son lancement 130 flashes, d’une durée d’environ une milliseconde, de rayonnement gamma terrestre (TGF) ont été identifié. Les scientifiques pensent cependant qu’il s’en produirait environ 500 par jour. La plupart du temps au-dessus des orages, en effet ce phénomène semble lié à la foudre.

Dans quatre cas pourtant les rayons gamma ont été détectés alors que le télescope ne se trouvait pas à proximité d’un orage. Au cours d'un TGF, qui a eu lieu le 14 décembre 2009, Fermi était ainsi situé au-dessus de l'Egypte tandis que la tempête était active en Zambie, à plusieurs milliers de kilomètres de là. L'orage lointain était sous l'horizon de Fermi, de sorte que les rayons gamma éventuellement produits n’auraient pas pu être détectés.

Pour les chercheurs, dont les résultats sont publiés dans la revue Geophysical research Letters, le rayonnement gamma enregistré a été produit au niveau du télescope lui-même quand un jet d’antimatière guidé par une ligne du champ magnétique terrestre a heurté la matière de l’objet, provoquant la réaction classique d’annihilation des couples électrons/positrons et l’émission de rayons gamma. C’est la première fois que l’on prouve que des rayons d’antimatière sont émis depuis la Terre.

L’antimatière demeure un des grands mystères de la science. Lors du Big-Bang, matière et antimatière ont théoriquement été produites en quantité égale, or l’univers se compose uniquement de matière et l’antimatière semble avoir disparu. Pour découvrir ce qu’il est advenu de l’antimatière, les scientifiques mènent diverses expériences qui ont pour but de déterminer si une infime différence entre les propriétés de la matière et celles de l’antimatière pourrait apporter un début d’explication.

http://www.sciencesetavenir.fr/actualite/espace/20110111.OBS6072/de-l-antimatiere-dans-les-orages.html