Les chercheurs du CNRS (laboratoires IN2P3 (1) et INSU (2)) et du
CEA-Dapnia (3), dans le cadre de la collaboration internationale
H.E.S.S., viennent d'annoncer que notre Univers est plus transparent aux
rayons gamma que l'on ne le pensait auparavant. Ce résultat a été
obtenu suite à la découverte, grâce aux télescopes H.E.S.S. installés en
Namibie, de l'émission gamma de très haute énergie de deux quasars
(galaxies actives) lointains. Les rayons gamma (voir encadré), produits
au sein de ces objets qui sont à l'origine des phénomènes les plus
violents du cosmos, peuvent être absorbés, lors de leur périple depuis
leur source jusqu'à la Terre, par les photons de la lumière diffuse
proche du visible. Ce brouillard de photons dans lequel baigne l'Univers
entier constitue la trace fossile et l'accumulation de toute la lumière
produite, depuis celle des premières étoiles et galaxies jusqu'à nos
jours. En utilisant les rayons gamma émis par les quasars lointains
comme sondes de l'espace intergalactique, et en étudiant l'effet de la
lumière fossile sur la distribution énergétique de ces rayons gamma, les
astrophysiciens ont pu montrer que la quantité de lumière fossile est
bien plus basse que celle admise jusqu'ici. Ce résultat, publié dans la
revue Nature du 20 avril, a d'une part des conséquences importantes
quant à notre compréhension de la formation et de l'évolution des
galaxies, et d'autre part élargit l'horizon du monde visible en rayons
gamma de très haute énergie.
La quête de l'histoire de
l'émission de lumière dans l'Univers : La lumière émise par tous les
objets dans l'Univers tout au long de son histoire (étoiles, galaxies,
quasars...) emplit l'espace intergalactique comme un océan de photons
appelé « fond de lumière diffuse extragalactique » (EBL en anglais).
Depuis longtemps les chercheurs essayent de mesurer cette trace fossile
de l'activité lumineuse de l'Univers, mais sa mesure directe reste
difficile du fait de la domination d'autres sources de lumière dans le
ciel (poussières chauffées du système solaire) et de par les limitations
des instruments. Les rayons gamma de très haute énergie offrent une
méthode alternative pour sonder et mesurer de manière indirecte cette
lumière diffuse extragalactique. Ayant comme objectif d'effectuer cette
mesure, les scientifiques de la collaboration internationale H.E.S.S.
ont entrepris l'observation de plusieurs quasars lointains (les sources
de rayons gamma de très haute énergie les plus brillantes du ciel
connues jusqu'à ce jour, voir l'encadré) et les résultats obtenus sont
assez frappants.
Le brouillard de photons intergalactiques :
Quand les rayons gamma très énergétiques (voir le dessin ci-dessous)
heurtent la lumière proche du visible, de la matière peut être produite,
comme cela est prédit par Einstein (une paire électron-positon dans ce
cas). Un faisceau de rayons gamma issu d'une galaxie lointaine est ainsi
atténué lors de son périple ver la Terre, du fait des collisions avec
les photons de la lumière diffuse. L'effet d'absorption étant plus fort
pour les rayons gamma les plus énergétiques, le spectre initial des
gamma est « rougi » — de manière quelque peu analogue au rougissement du
soleil au coucher où la lumière bleue est plus diffusée par
l'atmosphère que la lumière rouge. Comme le rougissement dépend de
l'épaisseur de l'absorbeur (la densité des photons diffus dans ce cas),
la mesure spectrale autorise une estimation de celle-ci.
Mesure
de la densité du brouillard intergalactique : « Le problème principal
est que la distribution énergétique des rayons gamma émis par les
quasars peut avoir des formes très différentes : on ne pouvait pas
affirmer si le rougissement observé d'un spectre gamma était dû à un
effet d'absorption intergalactique ou si il était intrinsèque à la
source elle-même », explique Dr. L. Costamante, un des chercheurs
impliqués dans cette découverte. Mais les spectres gamma de ces quasars
(référencés H 2356-309 et 1ES 1101-232 dans les catalogues), qui sont
plus lointains que les sources connues précédemment et ont été
découverts grâce à la sensibilité inégalée des télescopes H.E.S.S.,
montrent une caractéristique très précieuse : ils sont trop « bleus »
(càd qu'ils comportent trop de rayons gamma aux hautes énergies) pour
être compatibles avec le rougissement fort qu'impliquerait une forte
densité de lumière intergalactique. A moins de faire appel à des
scénarios très exotiques, la conclusion la plus vraisemblable est que le
niveau de lumière fossile est significativement plus bas que ce que
l'on pensait auparavant.
Étendre l'horizon de visibilité gamma
de l'Univers : La limite maximale sur la densité de la lumière diffuse
déduite des données de H.E.S.S. est en fait très proche des valeurs
minimales que l'on peut estimer en faisant la somme de la lumière des
galaxies que l'on voit avec nos télescopes optiques (par exemple avec
Hubble). Ainsi une réponse est apporté à une des questions épineuses qui
préoccupe les chercheurs depuis quelques années : La lumière diffuse
est-elle produite principalement par l'émission des toutes premières
étoiles nées dans l'Univers, quand celui-ci n'avait que quelques
millions d'années ? Le résultat obtenu par H.E.S.S. semble exclure une
telle possibilité et laisse aussi peu de place pour une contribution
importante qui proviendrait d'autres sources que les galaxies normales.
Un
espace intergalactique plus transparent ouvre de nouvelles perspectives
pour l'étude des sources gamma en dehors de notre Galaxie et les
chercheurs de H.E.S.S. continuent d'explorer le ciel gamma sur de plus
grandes distances encore.
