Héritier des activités historiques du CEA en astrophysique, que sont l’étude du rayonnement cosmique galactique et du ciel en rayons gamma, le Dapnia s’intéresse aux sources extrêmes de l’Univers : extrêmes dans les énergies globales mises en jeu, dans l’énergie maximale des particules qui y sont accélérées, dans les vitesses relativistes des éjections de matière qui y sont produites, et dans l’intensité de la force de gravitation qui y règne. En découvrant et observant ces sources, et en cherchant à les comprendre dans leur complexité, les astrophysiciens éprouvent les lois de la physique dans des conditions hors de portée de nos laboratoires, et peuvent être amenés à faire appel à de nouveaux concepts physiques. La période 2000-2003 a été extrêmement faste en résultats, dont voici quelques-uns des plus saillants.

Étude du trou noir du centre galactique

Il faut mentionner en premier lieu les résultats provenant des observatoires de haute énergie XMM-Newton et Integral, en particulier des instruments Epic, Ibis/Isgri et SPI, auxquels le Dapnia a beaucoup contribué. SgrA*, le trou noir d’environ 3 millions de masses solaires au centre de la Galaxie, est une cible privilégiée de ces deux observatoires. Ce trou noir, siège d’un taux d’accrétion bien plus faible que ce que l’on prévoit dans l’environnement gazeux extrêmement riche qui l’entoure, n’avait jamais été détecté à haute énergie auparavant. Avec XMM-Newton, les astrophysiciens du Dapnia ont pu détecter plusieurs éruptions en provenance de SgrA* (fig. 1), et en dresser les spectres les plus précis qui existent dans le domaine des rayons X, imposant ainsi les premières contraintes sur différents modèles d’accrétion proposés.

Avec Integral, les chercheurs du Dapnia ont mis en évidence dans cette région un excès significatif (fig. 1) de rayonnement à des énergies au-delà de 20 keV, excès qui pourrait aussi provenir de SgrA*. Ce trou noir va rester un objet d’étude privilégié au Dapnia, initiateur d’une vaste campagne d’observations dans plusieurs longueurs d’onde, dans le cadre d’un grand programme accepté pour le « temps ouvert » d’XMM.

Annihilations e⁺ e^- dans le bulbe galactique

Dans la région centrale de la Galaxie, le télescope SPI embarqué sur Integral a livré des mesures extrêmement précises sur la raie d’annihilation e⁺ e^- à 511 keV. Son spectre est celui d’une raie très fine ; sa cartographie, dressée de façon précise pour la première fois, révèle une zone d’émission diffuse centrée sur le centre galactique et de taille compatible avec celle du bulbe galactique (fig. 2). L’origine de cette émission pose une véritable énigme. Les chercheurs ont exclu la possibilité d’une production directe de positons dans des objets compacts (binaires X, microquasars) qui ne donneraient ni un tel flux ni une telle distribution spatiale ; d’autre part sont aussi exclues les sources classiques de production de noyaux émetteurs β⁺ (novae, Wolf-Rayet et supernovae), dont l’intensité est trop faible. Cette émission pourrait provenir de l’explosion d’hypernovae, comparables à SN2003dh, engendrées dans la flambée d’étoiles qui aurait eu lieu il y a sept millions d’années dans le centre Galactique. Elle pourrait aussi être due à l’annihilation de matière noire légère, donnant ainsi le premier indice sur la nature de cette composante mystérieuse de l’Univers.

Émission galactique diffuse

L’étude de l’émission galactique diffuse a fait aussi l’objet de deux avancées importantes. La première concerne la résolution de l’énigme posée par l’émission à grande échelle de gammas entre 20 keV et 220 keV, dont on pensait qu’une bonne moitié était d’origine purement interstellaire bien qu’aucun processus ne puisse l’expliquer. Grâce à l’excellente sensibilité et résolution angulaire de l’instrument Ibis/Isgri d’Integral, les astrophysiciens du Dapnia ont montré qu’en fait cette émission peut être entièrement attribuée à des sources compactes, laissant ainsi peu de place à une émission purement interstellaire. La seconde avancée réside dans la cartographie détaillée du centre galactique obtenue avec XMM pour des rayonnements de moins de 10 keV. Ainsi a été confirmée la présence d’une composante à haute énergie dont l’origine incertaine pourrait être liée à des rayons cosmiques de basse énergie.

Microquasars

L’étude des sources compactes à jets – microquasars – a progressé dans les deux domaines de la dynamique de la matière liés au disque d’accrétion et aux jets. La dynamique du disque a été étudiée par l’intermédiaire des oscillations quasi-périodiques (QPO) de l’émission X, en particulier les QPO de basse fréquence originaires de la zone la plus interne du disque d’accrétion. L’instabilité hydromagnétique du disque (dite d’accrétion-éjection) proposée par les astrophysiciens du Dapnia pour expliquer ces QPO possède la propriété de permettre l’accrétion dans le disque et d’émettre l’énergie libérée vers la couronne, où elle pourrait alimenter le jet. Ces études théoriques ont été confrontées aux données de plusieurs microquasars, et ont mené à un modèle global pour GRS1915+105, où l’accrétion est contrôlée par l’accumulation de flux magnétique dans le disque, et où les éjections relativistes s’expliquent par la destruction brutale de ce flux par reconnexion magnétique.
La dynamique des jets eux-mêmes a pu être suivie pour la première fois dans le domaine des rayons X, pour le microquasar XTE J1550-564, par une équipe qui a pu caractériser la décélération du jet dans le milieu interstellaire. La corrélation avec l’émission radio a permis de plus de montrer qu’il s’agit probablement d’une émission synchrotron d’électrons dont le spectre atteint au moins 10 TeV, et de prouver ainsi que les jets de microquasars peuvent être des accélérateurs de particules très puissants.

Trous noirs stellaires

Les chercheurs du Dapnia se sont aussi intéressés à la formation des trous noirs de masse stellaire dans notre galaxie, en déterminant pour la première fois, à l’aide d’études originales de mouvement propre, les conditions de naissance très variées de ces objets. Ils ont ainsi montré que le candidat trou noir XTE J1118+480, dont la vitesse est considérable, était probablement né dans un amas globulaire du halo, et que le microquasar GRO J1655-40 était né dans une explosion violente de supernovae dans le disque de la Galaxie. Enfin, de façon très surprenante, il est apparu que le trou noir Cygnus X-1 a été formé dans un effondrement gravitationnel beaucoup moins violent et sans explosion de supernovae.

Sursauts gamma

Au-delà de notre Galaxie, les sursauts gamma constituent un nouvel axe de recherche important. Avec Integral et son système Ibas, les chercheurs bénéficient du système d’alerte automatique le plus rapide qui soit pour la transmission de la localisation précise de la position des sursauts aux télescopes au sol, qui peuvent ensuite identifier l’origine des sursauts. Cette chaîne entre détection par Integral et identification de la contrepartie au sol a ainsi permis de lier le sursaut GRB031203 à l’hypernova SN2003lw. Ce lien, le second du genre seulement, conforte l’hypothèse que les sursauts gammas sont la manifestation, à des distances cosmologiques, de l’effondrement d’étoiles très massives en trous noirs.

Supernovae et accélération

La compréhension de la dynamique des restes de supernovae et de leur lien avec l’accélération du rayonnement cosmique galactique est une autre préoccupation majeure du laboratoire, combinant observations et modélisation. Les observations des restes des supernovae SN1572 (celle de Tycho Brahe) avec le satellite Chandra, et de SN1604 (celle de Kepler) avec XMM-Newton ont mis pour la première fois en évidence que le spectre du choc principal est de type synchrotron. La morphologie de cette émission implique une amplification du champ magnétique au niveau du choc, pouvant s’expliquer par la rétroaction des rayons cosmiques sur la structure de l’onde de choc. Les observations de SN1006 avec XMM (fig. 3) ont permis de déterminer que l’accélération est plus efficace près des pôles magnétiques. Toujours avec XMM, on a pu mettre en évidence pour G347.3-0.5 une amplification du rayonnement synchrotron dans les régions d’interaction des restes de supernova avec des nuages moléculaires.

Instrumentation pour la haute énergie

Enfin, les équipes du Dapnia participent au développement de Hess, dont les premiers résultats avec l’ensemble des télescopes ont démontré toute la puissance. On les retrouve aussi dans les activités au sol pour les télescopes en orbite, XMM et Integral. Elles préparent aussi l’avenir en participant à l’analyse des données de Glast, et en proposant de nouvelles expériences, comme le microsatellite Eclairs pour la traque et l’étude des sursauts gamma courts, et Simbol-X, un télescope pour les rayons X durs utilisant le vol en formation, destiné à l’étude de la physique des objets compacts et à celle de l’accélération de particules dans l’Univers.