SST-1M: Recent results and prospects for observation of the Galactic Center region

Au cœur même de notre galaxie, la Voie lactée, se trouve une région d'activité intense, un quartier encombré rempli de nuages denses de gaz, des restes brisés d'étoiles ayant explosé et de vastes amas de jeunes étoiles. Dans cet environnement chaotique, la nature agit comme un accélérateur de particules colossal, fracassant la matière pour créer un rayonnement de haute énergie qui voyage à travers l'univers. Les scientifiques s'intéressent particulièrement à un type spécifique de ce rayonnement appelé rayons gamma de très haute énergie. Ce sont les formes de lumière les plus énergétiques connues, transportant des millions de fois plus d'énergie que les rayons X utilisés dans les hôpitaux. Lorsque ces rayons gamma frappent l'atmosphère terrestre, ils n'atteignent pas le sol directement ; au lieu de cela, ils créent un bref et faible flash de lumière bleue connu sous le nom de rayonnement de Cherenkov. Pour étudier les moteurs cosmiques qui produisent ces rayons, les astronomes construisent des télescopes spéciaux au sol qui agissent comme de gigantesques miroirs, capturant ces éclats de lumière éphémères pour reconstruire l'origine et la nature des sources situées bien au-dessus.

Une équipe de chercheurs travaille avec un nouveau type de télescope conçu spécifiquement pour capturer ces éclats de haute énergie. Ces instruments, connus sous le nom de Télescopes à Petite Taille à Miroir Unique (SST-1M), opèrent actuellement en République tchèque. Ils ont déjà prouvé leur valeur en observant des objets cosmiques célèbres comme la Nébuleuse du Crabe et des galaxies actives lointaines, mais leur emplacement dans l'hémisphère nord limite ce qu'ils peuvent voir. La cible la plus importante pour ce type de science, le centre de notre galaxie, est située trop bas dans le ciel austral pour être observée clairement depuis le nord. L'équipe prévoit maintenant de déplacer ses télescopes vers un nouveau site en Argentine, où le Centre Galactique est visible pendant des périodes beaucoup plus longues. En simulant ce que ces télescopes verraient de ce nouvel emplacement, les chercheurs ont montré qu'ils seraient capables de cartographier les structures complexes du cœur galactique et de tester si les particules y sont accélérées à des énergies dépassant de loin tout ce que n'importe quelle machine sur Terre pourrait jamais atteindre.

Le travail de l'équipe a commencé par prouver que leur configuration actuelle en République tchèque fonctionne exactement comme prévu. Depuis 2023, ils exploitent deux de ces télescopes ensemble, séparés par une distance d'environ 155 mètres, ce qui permet de voir le ciel en stéréoscopie, de la même manière que les yeux humains procurent la perception de la profondeur. Ils ont passé des centaines d'heures à observer la Nébuleuse du Crabe, un vestige célèbre de supernova, et ont mesuré avec succès son spectre d'énergie jusqu'à 100 TeV, un niveau d'énergie difficile à atteindre pour d'autres instruments. Cette observation a confirmé que leurs télescopes peuvent détecter des sources étendues et de faible intensité de rayons gamma avec une grande précision. Ils ont également étudié d'autres régions du ciel, telles que la constellation du Cygne, où ils ont pu séparer deux sources de rayonnement distinctes qui étaient auparavant confondues. Cette capacité à distinguer les détails fins dans le ciel est cruciale car le centre de notre galaxie est un endroit encombré où de nombreuses sources différentes se chevauchent, ce qui rend difficile de déterminer quel objet produit quel signal.

Une fois cette performance vérifiée, les chercheurs ont tourné leur attention vers l'avenir. Ils ont utilisé des modèles informatiques, validés par leurs données réelles, pour simuler ce qui se passerait s'ils déplaçaient leurs télescopes à Malargüe, en Argentine. Ce nouveau site est situé à une altitude plus élevée et offre une vue dégagée sur le Centre Galactique pendant des centaines d'heures chaque année. Dans leur simulation, ils ont imaginé observer la région centrale de la galaxie pendant 250 heures, en se concentrant sur la zone connue sous le nom de « Ridge » (la Crête), une bande d'émission gamma diffuse qui s'étend à travers le cœur galactique. La simulation a montré que les télescopes seraient capables de détecter clairement les sources ponctuelles brillantes de la région, telles que le trou noir supermassif au centre, ainsi que la lueur faible et étendue de la Crête elle-même. De manière cruciale, la simulation a démontré que les instruments pourraient séparer la lumière du trou noir et d'autres objets compacts du fond diffus et large, une tâche qui s'est avérée difficile pour d'autres observatoires en raison de la confusion des signaux qui se chevauchent.

La partie la plus significative de cette simulation était de tester un mystère spécifique : jusqu'à quel niveau d'énergie les particules du Centre Galactique montent-elles ? Certaines théories suggèrent que la région contient des « PeVatrons », des accélérateurs naturels capables de propulser des particules à des énergies de l'ordre de un million de milliards d'électron-volts, ou des énergies PeV. Si cela est vrai, le spectre des rayons gamma devrait présenter une chute brutale, ou coupure, à une énergie élevée spécifique. Les chercheurs ont simulé les données qu'ils collecteraient et les ont analysées pour voir s'ils pouvaient repérer cette coupure. Leurs résultats indiquent que les télescopes seraient capables de détecter une coupure avec une signification statistique comprise entre deux et quatre écarts-types, selon l'énergie exacte où la chute se produit. Cela signifie que, bien que les données puissent ne pas constituer une preuve définitive et immédiate, elles fourniraient des preuves solides pour confirmer ou infirmer l'existence de ces accélérateurs extrêmes. L'étude suggère que la combinaison d'un large champ de vision et d'une haute sensibilité rend ces télescopes parfaitement adaptés pour résoudre cette énigme.

En fin de compte, ce travail souligne le potentiel du déplacement de ces instruments vers l'hémisphère sud pour percer les secrets du cœur de notre galaxie. Les chercheurs ont montré que leurs télescopes sont capables de fournir des données de haute qualité même dans des conditions moins que idéales, et leurs simulations confirment qu'un déménagement en Argentine permettrait de cartographier la morphologie et les spectres d'énergie du Centre Galactique avec une clarté sans précédent. En distinguant les différents types de sources de rayonnement et en recherchant la coupure spectrale qui signale la présence de PeVatrons, la collaboration SST-1M vise à répondre à des questions fondamentales sur la manière dont l'univers accélère les particules à leurs énergies les plus élevées. La voie à suivre consiste à relocaliser le matériel sur un site où le Centre Galactique est une caractéristique dominante du ciel nocturne, transformant une région qui était auparavant difficile à étudier en un laboratoire primaire pour l'astrophysique des hautes énergies.