1LHAASO J1852+0050u: GeV-100TeV Gamma-ray emission Powered by Star-forming Region?

Haut au-dessus de la Terre, dans l'air ténu du plateau tibétain, un immense réseau de capteurs attend quelque chose d'extraordinaire. Ces capteurs font partie du Large High Altitude Air Shower Observatory, connu sous le nom de LHAASO, et sont conçus pour capturer les signatures faibles et fugaces des particules les plus énergétiques de l'univers. Ces particules, appelées rayons cosmiques, sont des noyaux atomiques qui voyagent à travers l'espace à une vitesse proche de celle de la lumière. Depuis près d'un siècle, les scientifiques se demandent d'où ces particules tirent leur vitesse incroyable. Si certaines sont connues pour provenir des explosions violentes d'étoiles mourantes, les plus puissantes, atteignant des énergies un million de fois supérieures à ce que nos accélérateurs de particules les plus performants peuvent créer, sont restées un mystère. Trouver la source de ces « Pevatrons », ces objets capables d'accélérer des particules à des énergies aussi extrêmes, est l'une des grandes quêtes de l'astronomie moderne, car cela révélerait enfin les moteurs qui alimentent l'univers de haute énergie.

Dans une étude récente, des chercheurs ont porté leur attention sur une zone spécifique du ciel dans la constellation de l'Aigle, où une source mystérieuse de rayons gamma de haute énergie avait été repérée. Cette source, répertoriée sous le nom de 1LHAASO J1852+0050u, est une vaste lueur diffuse de rayonnement qui a été détectée à des énergies dépassant les cent mille milliards d'électron volts. Le casse-tête consistait à identifier ce qui créait cette lueur. La région est encombrée d'objets astronomiques connus, notamment les restes de deux étoiles ayant explosé et une étoile à neutrons tournant rapidement, appelée pulsar. L'équipe, dirigée par des chercheurs de la collaboration LHAASO, s'est donné pour mission de déterminer si l'un de ces objets familiers était le coupable, ou si quelque chose de plus exotique était à l'œuvre.

Pour résoudre le mystère, les scientifiques ont combiné les données de plusieurs télescopes. Ils ont réexaminé quatre années d'observations de LHAASO, qui fournissaient une carte détaillée des rayons gamma de haute énergie, et ont couplé cela avec seize années de données du satellite Fermi-LAT, qui observe les rayons gamma de plus basse énergie. Ils ont également observé le gaz moléculaire invisible dans la région à l'aide de radiotélescopes, capables de révéler la présence de nuages denses de gaz et de poussière où naissent les étoiles. En assemblant ces différentes vues, les chercheurs ont pu séparer le signal ténu de la source principale de l'éclat de ses voisines. Ils ont découvert que la lueur de rayons gamma n'est pas un point unique mais une région étendue qui chevauche une pouponnièreya bouillonnante de nouvelles étoiles.

Le premier suspect que l'équipe a considéré est un pulsar de milieu d'âge, une étoile dense et tournante qui tourne depuis environ deux cent mille ans. Les pulsars sont connus pour créer des nuages de particules de haute énergie qui peuvent émettre des rayons gamma. Cependant, lorsque les chercheurs ont lancé des simulations pour voir si ce pulsar spécifique pouvait générer la quantité d'énergie observée, les chiffres ne correspondaient pas. Le pulsar n'a tout simplement pas assez de puissance pour expliquer la brillante lueur de haute énergie vue par LHAASO. L'équipe a également examiné les vestiges proches d'étoiles ayant explosé, mais les distances et les types spécifiques de gaz dans la région ont permis de les écarter en tant que source primaire. Les preuves s'éloignaient de ces origines explosives et violentes.

Au lieu de cela, les données pointaient vers un processus plus continu, bien qu'également violent : la naissance d'étoiles massives. La source de rayons gamma se situe directement au-dessus d'un nuage dense de gaz moléculaire, qui est la matière première de la formation stellaire. Au sein de ce nuage se trouve une région spécifique connue sous le nom de G34.26+0.15, un site où des étoiles massives sont actuellement en train de naître. Les chercheurs ont constaté que les rayons gamma de plus faible énergie détectés par le satellite Fermi correspondent à l'emplacement de jeunes étoiles en formation, tandis que les rayons gamma de plus haute énergie détectés par LHAASO s'alignent sur la présence d'étoiles massives et pleinement formées dans le même amas.

Les scientifiques proposent une explication en deux parties pour le rayonnement. Ils suggèrent que les rayons gamma de plus faible énergie sont produits par des protons accélérés par les jets puissants et les flux sortants de jeunes étoiles en formation. Ces jeunes étoiles accumulent encore de la masse, et leur activité énergétique agite le gaz environnant, accélérant les particules à des vitesses élevées. Les rayons gamma de plus haute énergie, atteignant jusqu'à cent mille milliards d'électron volts, sont probablement produits par des vents encore plus puissants provenant des étoiles massives adultes du même amas. Ces étoiles massives expulsent de la matière dans l'espace à des vitesses phénoménales, créant des ondes de choc capables d'accélérer les particules aux énergies extrêmes requises pour produire le rayonnement observé.

L'étude conclut que cette région de formation d'étoiles est probablement un « Pevatron », un accélérateur de particules naturel capable de propulser des rayons cosmiques à des énergies que l'on pensait auparavant être le domaine exclusif des explosions les plus violentes. Les chercheurs estiment que l'amas contient entre vingt et deux cents étoiles massives, dont les vents combinés fournissent l'énergie nécessaire pour soutenir cette émission de haute énergie. Bien qu'ils ne puissent pas exclure complètement la présence d'autres pulsars cachés et invisibles dans la région, les preuves favorisent fortement la région de formation d'étoiles comme moteur dominant. Cette découverte ajoute un nouveau chapitre à notre compréhension des rayons cosmiques, suggérant que les pouponnières chaotiques et énergétiques où naissent les étoiles sont tout aussi capables de créer les particules les plus énergétiques de l'univers que les décès catastrophiques des étoiles.