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Par Laurent Sacco, Futura-Sciences
Le satellite Fermi traque les sources de rayons gamma dans l’univers. Il vient pourtant de révéler que de l’antimatière pouvait être créée à l’occasion des centaines de flashs gamma journaliers, bien terrestres, se produisant lors de violents orages.
On sait que les nuages peuvent parfois se comporter comme des accélérateurs de particules. Certains éclairs s’accompagnent alors de l’émission de flashs de rayons gamma connus en anglais sous le nom de Terrestrial Gamma-ray Flash ou TGF pour flashs gamma terrestres.
Détecter les rayons gamma émis par des processus astrophysiques violents, comme le voisinage des astres compacts que sont les étoiles à neutrons et quasars. C’est l’une des missions du satellite Fermi.
Il est aussi conçu pour détecter les rayons gamma produits par l’annihilation d’une particule d’antimatière (comme le positron), lorsqu’elle rencontre sa particule de matière jumelle (un électron, en l'occurrence) mais les rayons gamma peuvent être aussi émis par une particule de matière noire qui se désintégre (car étant instable ou rencontrant sa propre antiparticule).
Des flashs gamma tous les jours sur Terre
À priori, on ne penserait pas que les observations de Fermi puissent concerner ces géophysiciens externes que sont les météorologues ou les spécialistes de la magnétosphère de la Terre. Et pourtant, en orbite autour de la Terre depuis 2008, Fermi a bel et bien observé près de 130 TGF. On estime d’ailleurs que pas loin de 500 se produisent en moyenne chaque jours mais restent indétectés.
Un phénomène bien plus surprenant a été observé par Fermi le 14 décembre 2009, alors qu’il survolait l’Égypte. En effet, à plusieurs milliers de kilomètres de là, au-dessus de la Zambie, un violent orage avait éclaté, produisant un TGF. Créé au-delà de l’horizon de Fermi, ce flash n’avait pas pu être directement détecté par les instruments du satellite. Mais il les avait néanmoins affectés en les bombardant… d’antimatière !
Pour comprendre comment cela a pu se produire, il faut savoir que les champs électriques dans les nuages peuvent être si intenses qu’ils provoquent l’accélération d’électrons à des vitesses proches de la lumière en direction du haut de l’atmosphère. Heurtant des atomes et des molécules, ces électrons les ionisent et entraînent avec eux les électrons produits qui sont accélérés à leur tour. Le résultat final est donc une production assez importante d’électrons par avalanche.
Rayonnement de freinage et créations de paires
Certains de ces électrons passent suffisamment près des noyaux d’atomes pour que se produise une émission de rayons gamma selon le processus bien connu de Bremsstrahlung ou rayonnement de freinage. Certains photons gamma sont assez énergétiques pour qu’il y ait production de paires de particules et d’antiparticules, des électrons et des positrons.
Les positrons s’élevant dans l’espace tournent en spirale autour des lignes de champs magnétique de la Terre, qui les guident. Lors de l’orage de 2009, localisé grâce aux ondes radio émises par les éclairs à l’aide d’un réseau de surveillance mondiale, ce sont ces positrons qui ont fini par entrer en collision avec les électrons de Fermi à des milliers de kilomètres de leur source. S’annihilant les uns des autres, électrons et positrons furent donc les sources d’un pic de rayons gamma détectés par les instruments du satellite. Le processus entier se trouve résumé dans cette vidéo.
Les chercheurs pensent maintenant que tous les TGF s’accompagnent de l’émission de particules d’antimatière. Pensez-y le jour où vous vous retrouverez sous un orage tropical !
Le satellite Fermi traque les sources de rayons gamma dans l’univers. Il vient pourtant de révéler que de l’antimatière pouvait être créée à l’occasion des centaines de flashs gamma journaliers, bien terrestres, se produisant lors de violents orages.
On sait que les nuages peuvent parfois se comporter comme des accélérateurs de particules. Certains éclairs s’accompagnent alors de l’émission de flashs de rayons gamma connus en anglais sous le nom de Terrestrial Gamma-ray Flash ou TGF pour flashs gamma terrestres.
Détecter les rayons gamma émis par des processus astrophysiques violents, comme le voisinage des astres compacts que sont les étoiles à neutrons et quasars. C’est l’une des missions du satellite Fermi.
Il est aussi conçu pour détecter les rayons gamma produits par l’annihilation d’une particule d’antimatière (comme le positron), lorsqu’elle rencontre sa particule de matière jumelle (un électron, en l'occurrence) mais les rayons gamma peuvent être aussi émis par une particule de matière noire qui se désintégre (car étant instable ou rencontrant sa propre antiparticule).
Des flashs gamma tous les jours sur Terre
À priori, on ne penserait pas que les observations de Fermi puissent concerner ces géophysiciens externes que sont les météorologues ou les spécialistes de la magnétosphère de la Terre. Et pourtant, en orbite autour de la Terre depuis 2008, Fermi a bel et bien observé près de 130 TGF. On estime d’ailleurs que pas loin de 500 se produisent en moyenne chaque jours mais restent indétectés.
Un phénomène bien plus surprenant a été observé par Fermi le 14 décembre 2009, alors qu’il survolait l’Égypte. En effet, à plusieurs milliers de kilomètres de là, au-dessus de la Zambie, un violent orage avait éclaté, produisant un TGF. Créé au-delà de l’horizon de Fermi, ce flash n’avait pas pu être directement détecté par les instruments du satellite. Mais il les avait néanmoins affectés en les bombardant… d’antimatière !
Pour comprendre comment cela a pu se produire, il faut savoir que les champs électriques dans les nuages peuvent être si intenses qu’ils provoquent l’accélération d’électrons à des vitesses proches de la lumière en direction du haut de l’atmosphère. Heurtant des atomes et des molécules, ces électrons les ionisent et entraînent avec eux les électrons produits qui sont accélérés à leur tour. Le résultat final est donc une production assez importante d’électrons par avalanche.
Rayonnement de freinage et créations de paires
Certains de ces électrons passent suffisamment près des noyaux d’atomes pour que se produise une émission de rayons gamma selon le processus bien connu de Bremsstrahlung ou rayonnement de freinage. Certains photons gamma sont assez énergétiques pour qu’il y ait production de paires de particules et d’antiparticules, des électrons et des positrons.
Les positrons s’élevant dans l’espace tournent en spirale autour des lignes de champs magnétique de la Terre, qui les guident. Lors de l’orage de 2009, localisé grâce aux ondes radio émises par les éclairs à l’aide d’un réseau de surveillance mondiale, ce sont ces positrons qui ont fini par entrer en collision avec les électrons de Fermi à des milliers de kilomètres de leur source. S’annihilant les uns des autres, électrons et positrons furent donc les sources d’un pic de rayons gamma détectés par les instruments du satellite. Le processus entier se trouve résumé dans cette vidéo.
Les chercheurs pensent maintenant que tous les TGF s’accompagnent de l’émission de particules d’antimatière. Pensez-y le jour où vous vous retrouverez sous un orage tropical !