Les fortes accélérations de particules génèrent des gamma de haute énergie
Le rayonnement gamma de haute énergie est le résultat de processus secondaires consécutifs à l’accélération de particules chargées. Les rayons gamma peuvent être engendrés dans les interactions de protons avec des noyaux du milieu ambiant. Ces collisions produisent des particules secondaires, parmi elles, des mésons pi neutres qui se désintègrent en émettant deux photons gamma.
Si l’accélérateur produit des faisceaux d’électrons, ceux-ci engendreront un rayonnement de freinage par interaction avec le milieu ambiant et du rayonnement synchrotron sous l’effet de champs électromagnétiques ; mais le transfert d’énergie maximum est obtenu dans des interactions Compton avec des photons de basse énergie ce qui produira, dans l’état final, un gamma de haute énergie. Le maximum de transfert est atteint lors d’une rétrodiffusion ou diffusion inverse Compton.
On peut donc dire que le spectre en énergie des photons gamma est étroitement relié à celui des particules primaires. Leur étude est une façon détournée pour comprendre les mécanismes d’accélération des particules chargées qui peuplent le rayonnement cosmique.
Effet Compton inverse
L’effet Compton inverse est une source de gamma très énergiques. Il résulte de l’interaction d’une particule chargée, comme un électron, avec un photon de basse énergie présent dans l’espace, onde radio, infrarouge ou lumière visible : l’électron communique une bonne partie de son énergie au photon. Les rôles sont inversés par rapport à l’effet Compton classique dans l’atome où le photon joue le rôle du projectile et l’électron celui de la cible. Dans l’effet Compton inverse, l’électron est le projectile, le photon la cible.
© IN2P3
Restes de supernovæ (SNR) en coquille
Les restes de supernovæ (SNR) en coquille sont connus pour être les accélérateurs de rayons cosmiques galactiques les plus prometteurs. L’onde de choc accélératrice est produite par l’expansion des éjectas de l’étoile dans le milieu interstellaire Là, les protons et les ions vont interagir avec les noyaux du milieu ambiant ; dans ces interactions nucléaires, une quantité de pions neutres seront produits qui se désintégreront en émettant des photons gamma. On peut également penser que des électrons accélérés sur de grandes distances puissent acquérir une énergie suffisante pour produire des photons gamma de haute énergie par rétrodiffusion Compton sur le fond de photons présent dans le milieu ambiant. Ce deuxième mécanisme nécessite que les champs magnétiques présents dans la supernova soient suffisants pour expliquer la forte intensité observée dans le domaine des rayons X, mais pas trop intense pour que la particule ait encore assez d’énergie pour émettre dans le domaine des photons gamma.
Supernovae en coquille
On nomme reste (ou rémanent) de supernova la matière éjectée lors de l’explosion d’une étoile en supernova. On classifie les rémanents en deux principaux types, dits en coquille ou pleins. Les rémanents dits en coquille présentent une zone d’émission plus ou moins circulaire située à une certaine distance du centre du rémanent, plus sombre.
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Les Nébuleuses synchrotrons
Contrairement aux supernovæ en coquille, les nébuleuses synchrotrons, ou Plérions, possèdent également, au cœur de leurs structures, un pulsar. Celui-ci émet un fort vent d’électrons et de positrons en direction de la périphérie créant une onde de choc entretenue par le pulsar lui-même. Cette onde accélère les électrons à des énergies suffisantes pour qu’ils émettent des photons gamma de haute énergie par effet Compton inverse sur des photons de basses longueurs d’onde. Ce mécanisme est responsable d’une émission non pulsée par ces objets qui se superpose à la composante pulsée.
Pascal Vincent
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