Bulles de Fermi : comment génèrent-elles des rayons gamma et des neutrinos ?

Les bulles de Fermi sont deux structures ovalaires s’étendant de part et d’autre du centre galactique, perpendiculairement au disque galactique. Âgées d’environ 3 millions d’années, elles contiennent plusieurs éléments lourds et particules ultra-énergétiques. Encore très peu de paramètres les concernant sont connus, et leur origine demeure toujours un mystère. Récemment, une équipe d’astrophysiciens a proposé trois scénarios potentiels permettant d’expliquer le mécanisme à l’origine des rayons gamma et neutrinos émis par les bulles.

En 2010, des astronomes travaillant avec le télescope spatial à rayons gamma Fermi ont annoncé la découverte de deux bulles géantes. Elles étaient centrées sur le cœur de la Voie lactée, mais se sont étendues au-dessus et en dessous du plan de notre foyer galactique pendant plus de 25’000 années-lumière. Leurs origines restent encore mystérieuses et elles émettent de grandes quantités de radiations de haute énergie.

Plus récemment, le réseau IceCube en Antarctique a signalé la présence de 10 neutrinos super-énergétiques provenant des bulles, ce qui a amené certains astrophysiciens à supposer que des interactions subatomiques très intenses étaient en cours. L’orientation particulière des bulles de Fermi — qui s’étendent uniformément au-dessus et en dessous du centre galactique — indique clairement qu’elles pourraient être liées au trou noir supermassif central, connu sous le nom de Sagittarius A*.

Vidéo expliquant la découverte des bulles de Fermi et les hypothèses les concernant :

Il y a peut-être des millions d’années, une éruption provenant de Sgtr A* a éjecté un flux chaotique de particules ultra-énergétiques à des vitesses relativistes, qui a fini par se dissiper en formant ces deux bulles. Ou bien celles-ci résultent peut-être de la destruction d’une étoile par le trou noir. Ou peut-être que cela n’a rien à voir avec Sgtr A*. Des dizaines, voire des centaines d’étoiles ont peut-être explosé en supernova à peu près au même moment, éjectant d’énormes panaches de gaz en forme de bulles.

Bulles de Fermi : une source de rayons gamma et de neutrinos

Les bulles de Fermi ne sont pas visibles à l’œil nu. Malgré leurs températures élevées, le gaz qu’elles contiennent est extrêmement diffus, ce qui les rend quasiment invisibles. Mais des processus complexes en leur sein sont capables de produire des rayons gamma, c’est ainsi que l’équipe de Fermi les a repérées.

Les astrophysiciens pensent que les rayons gamma sont produits dans les bulles par les rayons cosmiques, qui contiennent elles-mêmes des particules de haute énergie. Ces particules, principalement des électrons mais probablement aussi des particules plus lourdes, entrent en collision, émettant les rayons gamma distinctifs.

Mais les rayons gamma ne sont pas les seuls éléments que peuvent produire des particules de haute énergie. Parfois, les rayons cosmiques interagissent les uns avec les autres, libérant un neutrino, une particule très peu massive qui n’interagit qu’avec d’autres particules via la force nucléaire faible (elle n’interagit donc presque pas avec la matière).

IceCube : des neutrinos en provenance des bulles de Fermi

L’observatoire IceCube, situé au pôle sud géographique, utilise un kilomètre cube de glace d’eau antarctique pure comme détecteur de neutrinos : de temps à autre, un neutrino de haute énergie traversant la glace interagit avec une molécule d’eau, créant ainsi une réaction en chaîne de type domino qui conduit à une cascade de particules plus familières et à un flash de lumière révélateur. En raison de la nature de ses détecteurs, IceCube n’est pas le meilleur choix pour localiser l’origine exacte d’un neutrino. Mais à ce jour, il en a détecté 10 venant approximativement de la direction des deux bulles de Fermi.

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De plus, les rayons cosmiques produisent des rayons gamma, bien que les chercheurs ne sachent pas exactement comment. Peut-être existe-t-il un ensemble d’interactions à l’intérieur des bulles qui produisent à la fois des rayons gamma et le bon type de neutrinos pouvant être détectés par IceCube. Ce serait un grand pas en avant pour expliquer la physique des bulles elles-mêmes et cela donnerait un énorme indice sur leurs origines.

Trois scénarios potentiels expliquant l’origine des rayons gamma

Récemment, une équipe de chercheurs a analysé les données disponibles, ajoutant même les résultats du détecteur Cherenkov Water High Altitude Water nouvellement opérationnel, et associant ces informations à différents modèles théoriques concernant les bulles. L’étude a été publiée sur le serveur de pré-publication arXiv. Dans un scénario possible, les protons à l’intérieur des bulles entrent en collision et produisent des pions, des particules exotiques se décomposant rapidement en rayons gamma.

Dans un autre scénario, le flux d’électrons de haute énergie dans les bulles interagit avec le rayonnement toujours présent du fond diffus cosmologique, renforçant certains photons dans le régime gamma. Dans un troisième, les ondes de choc sur les bords extérieurs des bulles utilisent des champs magnétiques pour entraîner des particules locales et lentes à des vitesses élevées, qui commencent alors à émettre des rayons cosmiques.

Toutefois, les auteurs de cette étude n’ont pu trouver aucun des scénarios (ou une combinaison de ces scénarios) correspondant à toutes les données. En bref, nous ne savons toujours pas ce qui entraîne l’émission de rayons gamma par les bulles, si les bulles produisent également des neutrinos, ou ce qui a créé les bulles à l’origine.

Sources : arXiv