Certains orages génèrent des particules d’antimatière dans l’espace

Le télescope spatial de la NASA, le Fermi, chargé de suivre les émissions de rayons Gamma, a détecté des faisceaux d’antimatière produits au-dessus des orages éclatant dans l’atmosphère terrestre. Un phénomène encore jamais observé.


Sachant que ce phénomène est étroitement lié aux éclairs, les scientifiques pensent que les particules d’antimatière sont générées par une déflagration de Rayons Gamma Terrestres (RGT) à l’intérieur de certains orages. Quelque 500 RGT se produisent chaque jours dans le monde, et la plupart ne sont pas détectés.

« Ces signaux sont le premier indice direct que les orages peuvent produire des rayons de particules d’antimatière » note Michael Briggs, un membre de l’équipe du Gamma-ray Burst Monitor (GBM) du Fermi à l’université de l’Alabama à Huntsville (UTAH). Il a présenté les résultats de sa recherche début janvier 2011 à une table ronde de la American Astronomical Society de Seattle.

En fonctionnant comme d’énormes accélérateurs de particules, certains orages émettent des éclairs de rayons gamma (les RGT) ainsi que des électrons et positrons à forte intensité énergétique. Les scientifiques pensent désormais que la plupart des RGT produisent des rayons de particules et de l’antimatière. Or, Fermi est conçu pour détecter les rayons gamma, la forme la plus intense de la lumière.
Lorsqu’une particule d’antimatière atteint le Fermi et entre en collision avec une particule de matière normale, il en résulte une destruction immédiate des deux et leur transformation en un rayon gamma. Le GBM a détecté des rayons gamma d’une intensité de 511 000 électronvolts, signe qu’un électron a rencontré l’antimatière correspondante, un positron.

Bien que le GBM de Fermi soit conçu pour observer des événements à forte radiation dans l’univers, il se révèle également précieux pour nous permettre de mieux comprendre cet étrange phénomène. Le GBM surveille en permanence l’espace céleste autour de la Terre et a ainsi permis de repérer 130 RGT depuis le lancement de Fermi en 2008. « La mission Fermi, en orbite depuis moins de trois ans est un outil incroyablement efficace pour sonder l’univers. Nous découvrons qu’il peut mettre au jour des mystères qui nous touchent de beaucoup, beaucoup plus près » commente Ilana Harrus, chercheur du programme Fermi au siège de la NASA à Washington.

Le plus souvent, les RGT observés proviennent d’orages éclatant sous le vaisseau spatial sauf en quatre occasions, où ils étaient distants. En outre, le réseau de surveillance global qui détecte les signaux radio générés par les éclairs, a montré que l’éclair en question était distant de quelques centaines de kilomètres ou plus.

Le 14 décembre 2009, le Fermi survolait l’Egypte quand il a détecté un RGT. Or, l’orage dont il provenait était localisé en Zambie, plus de 4 500 km plus au sud. L’orage étant en-dessous de l’horizon du Fermi, il ne pouvait détecter les rayons gamma qui en étaient issus. « Même si le Fermi ne pouvait pas « voir » l’orage, il était connecté à lui par le champ magnétique terrestre, » explique Joseph Dwyer du Florida Institute of Technology à Melbourne, Floride. « Le RGT a propulsé des électrons et positrons qui ont emprunté le champ magnétique de la terre pour atteindre le vaisseau.« 

Le rayon a dépassé le Fermi et, lorsqu’il a atteint le « point miroir », il a été renvoyé sur le vaisseau, à peine 23 millisecondes plus tard. A chaque fois que les positrons présents dans le rayon sont entrés en collision avec les électrons du vaisseau spatial, les particules se sont détruites mutuellement, causant l’émission des rayons gamma détectés par le GBM du Fermi.

© NASA’s Goddard Space Flight Center

Les chercheurs pensent depuis longtemps que les RGT sont produits par les puissants champs électriques qui se forment au sommet des orages. Lorsque les conditions sont favorables, ils pensent que le champ atteint une puissance telle qu’il génère un puissant panache d’électrons. Avec une vitesse presque égale à la lumière, ces électrons saturés d’énergie produisent des rayons gamma au contact des molécules d’air qui les dévient. Habituellement, ces rayons gammas sont détectés comme autant de RGT.

Mais le puissant panache d’électrons génère un faisceau de rayons gamma capable de projeter des électrons et des positrons bien au-delà de l’atmosphère. Ce phénomène se produit lorque l’énergie des rayons gamma se transforme en couples de particules : électrons et positrons. Ce sont ces couples de particules qui atteignent l’orbite du Fermi.

La détection de positrons révèle que des particules hautement chargées en énergie sont éjectées hors de l’atmosphère. Les chercheurs pensent désormais que tous les RGT émettent des rayons constitués d’électrons et de positrons. Un compte rendu de recherche va être publié dans les Geophysical Research Letters.

Notes

  • Le Fermi (Télescope spacial de la NASA détecteur de rayons gamma) est le fruit d’un partenariat alliant astrophysique et physique des particules. Il est dirigé par le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt dans le Maryland. Il fonctionne sous l’égide du U.S. Department of Energy et bénéficie de contributions précieuses de partenaires et universitaires français, allemands, italiens, japonais, suédois et états-uniens.
  • Le GBM Instrument Operations Center est situé dans les locaux du National Space Science Technology Center à Huntsville, (Alabama). L’équipe comprend des chercheurs du UAH, le Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, du Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics en Allemagne, et d’autres institutions
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