Imaginez que vous ayez une vision de super-héros et que vous puissiez voir un tout nouveau monde de phénomènes fascinants invisibles à l'œil humain. Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA donne aux astrophysiciens des pouvoirs analogues. Il capture des images de l'univers en rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique.

Le 12 avril, l'un des instruments du vaisseau spatial - le Large Area Telescope (LAT), qui a été conçu et assemblé au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie – a détecté son milliardième rayon gamma extraterrestre.

Étant donné que les rayons gamma sont souvent produits dans des processus violents, leur observation met en lumière des environnements cosmiques extrêmes, telles que de puissantes explosions d'étoiles, des jets de particules à grande vitesse crachés par des trous noirs supermassifs, et des étoiles à neutrons ultradenses tournant à une vitesse inimaginable. Les rayons gamma pourraient également être des signes révélateurs de particules de matière noire - des composants hypothétiques de matière noire invisible, qui représente 85 pour cent de toute la matière dans l'univers.

"Depuis le lancement de Fermi en 2008, le LAT a fait un certain nombre de découvertes importantes d'émissions de rayons gamma provenant de sources exotiques dans notre galaxie et au-delà, " dit Robert Cameron, chef du LAT Instrument Science Operations Center (ISOC) au SLAC. Le LAT a déjà collecté des centaines de fois plus de rayons gamma que l'instrument EGRET de génération précédente sur l'observatoire de rayons gamma Compton de la NASA – une avancée qui a considérablement approfondi les connaissances sur la production de ce rayonnement énergétique.

Activation de la découverte

Parmi les découvertes du LAT figurent plus de 200 pulsars – à rotation rapide, noyaux hautement magnétisés d'étoiles effondrées qui étaient jusqu'à 30 fois plus massives que le soleil. Avant le lancement de Fermi, seuls sept de ces objets étaient connus pour émettre des rayons gamma. Alors que les pulsars tournent autour de leur axe, ils émettent des "faisceaux" de rayons gamma comme des phares cosmiques. De nombreux pulsars tournent plusieurs centaines de fois par seconde, soit des dizaines de millions de fois plus vite que la rotation de la Terre.

"Comprendre les pulsars nous renseigne sur l'évolution des étoiles parce qu'ils sont un point final possible dans la vie d'une étoile, " dit Cameron. " Les données LAT nous ont amenés à revoir totalement notre compréhension de la façon dont les pulsars émettent des rayons gamma. "

Le LAT a également montré pour la première fois que les novae – explosions thermonucléaires à la surface d'étoiles ayant accumulé de la matière provenant d'étoiles voisines – peuvent émettre des rayons gamma. Ces données fournissent de nouveaux détails sur la physique des étoiles brûlantes, qui est un processus crucial pour la synthèse des éléments chimiques dans l'univers.

Des sources de rayons gamma encore plus exotiques détectées par le LAT sont des microquasars. Ces objets sont des analogues de la taille d'une étoile de noyaux galactiques actifs, avec du gaz tournant autour d'un trou noir au centre. Alors que le trou noir dévore la matière de son environnement, il éjecte des jets de particules chargées voyageant presque aussi vite que la lumière dans l'espace, générer des faisceaux de rayons gamma dans le processus.

A l'échelle galactique, un tel mécanisme d'éjection aurait pu produire ce que l'on appelle les bulles de Fermi - deux zones géantes au-dessus et au-dessous du centre du disque de notre galaxie de la Voie lactée qui brillent en rayons gamma. Découvert par le LAT en 2010, ces bulles suggèrent que le trou noir supermassif au centre de notre galaxie était autrefois plus actif qu'il ne l'est aujourd'hui.

Les chercheurs utilisent également le LAT pour rechercher des signes de particules de matière noire dans les régions centrales de la Voie lactée et d'autres galaxies. Les théories prédisent que les particules hypothétiques produiraient des rayons gamma lorsqu'elles se désintégreraient ou entreraient en collision et se détruiraient.

"Avec la sensibilité que nous avons obtenue avec le LAT, nous devrions en principe pouvoir voir de telles signatures de matière noire, " dit Seth Digel du SLAC, qui dirige le groupe Fermi au Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), un institut conjoint de l'Université de Stanford et du SLAC. "Mais nous n'avons pas encore trouvé de signaux concluants, et jusqu'à présent, les données LAT peuvent également être expliquées avec d'autres sources astrophysiques."

Finalement, le LAT a exploré les sources de rayons gamma plus près de chez nous, y compris les rayons gamma produits par les orages dans l'atmosphère terrestre, par des éruptions solaires et même par des particules chargées frappant la surface de la lune.

Trouver des aiguilles dans une botte de foin

De son emplacement sur Fermi à une altitude de 330 milles, le LAT voit 20 pour cent du ciel à un moment donné. Toutes les deux orbites - chacune dure environ 95 minutes - l'instrument collecte les données nécessaires à une carte gamma de l'ensemble du ciel.

Mais identifier les bons signaux pour la carte est un peu comme trouver des aiguilles dans une botte de foin :pour chaque photon gamma, the LAT sees many more high-energy charged particles, called cosmic rays. Most of these background signals are rejected right away by hardware triggers and software filters in the LAT on Fermi, which reduces the rate of signals from 10, 000 to 400 per second.

The remaining data are compressed, transmitted back to Earth and sent to NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, where they get separated into three different datasets for the LAT, the GBM (Fermi's second scientific instrument, which monitors short-lived gamma-ray bursts) and spacecraft data.

The LAT data are transferred to the LAT ISOC at SLAC, where 1, 000 computer cores automatically analyze the data stream and filter out even more background signals. 70 percent of all detected gamma rays are from Earth's atmosphere, leaving only two to three extraterrestrial gamma-ray signals per second out of the 10, 000 initial detector events. These data are then sent back to NASA Goddard, where they are made publicly available for further analysis.

"The ISOC receives about 15 deliveries of LAT data throughout the day for a total of 16 gigabytes or three DVDs worth of data every day, " Cameron says. "For each delivery, the entire process – from the time the data leave Fermi to the time the gamma rays get deposited in the public archive – takes about four hours."

L'année prochaine, the Fermi mission will reach its 10-year operations goal. What happens after that will largely depend on funding.

"With no successor mission planned, the LAT is in many ways irreplaceable, particularly for studies of low-energy gamma rays, " Digel says. "The telescope is still going strong after all these years, and there is a lot of science left to be done."

An important new role for the LAT is to search for gamma-ray sources associated with gravitational wave events. These ripples in space-time occur, par exemple, when two black holes merge into a single one, as recently observed by the LIGO detector. This opens up the completely new field of gravitational wave astrophysics.

The LAT ISOC is a department in KIPAC and the Particle Astrophysics and Cosmology Division of SLAC. KIPAC researchers contribute to the international Fermi LAT Collaboration, whose research is funded by NASA and the DOE Office of Science, as well as agencies and institutes in France, Italie, Japan and Sweden.