Département de Physique des Particules

Les objectifs scientifiques portent sur divers thèmes parmi lesquels :

• Les pulsars : Alors que seulement sept pulsars (étoiles à neutron fortement magnétisées en rotation rapide) étaient répertoriés par EGRET, le télescope LAT en a détecté environ 300. La sensibilité du télescope a notamment permis de découvrir la période de plusieurs pulsars sans données radio, une première en astronomie gamma.  La mesure précise de la distribution en énergie du signal a permis d’exclure le modèle d’émission au niveau de la calotte polaire (émission proche du pole magnétique de l'étoile et fortement atténuée à haute énergie) en faveur des modèles où les photons proviennent d'une région plus éloignée dans la magnétosphère entourant l'étoile à neutrons.

• Les sources non identifiées : 60% des sources détectées par le satellite EGRET restaient non identifiées. D'après leur répartition dans le ciel, la plupart devaient être des sources galactiques, probablement assez proches. Les candidats les plus vraisemblables étaient des pulsars. En améliorant considérablement leur localisation, Fermi a permis l'identification de la plupart de ces objets et par là même a dévoilé leur nature. 30% des nouvelles sources détectées par Fermi (beaucoup plus faibles) restent néanmoins non identifiées. 

• Les trous noirs galactiques et microquasars : Certains systèmes binaires-X  avec jets superluminiques (les microquasars) sont des sources potentielles de photons gamma de haute énergie. Les particules très énergétiques du jet interagissent avec le flux de photons optique ou infrarouge issu de l'étoile compagnon (généralement une étoile massive) ou du milieu environnant et produisent des photons de haute énergie. Des indices semblaient  d'ailleurs indiquer que plusieurs sources non identifiées du catalogue EGRET appartiennent à cette famille d'objets. Fermi n’a pas confirmé cette attente, les sources de ce type se comptant sur les doigts d’une main.

• Les rayons cosmiques et l'émission interstellaire : La majorité des photons gamma observés dans notre Galaxie provient de l'interaction des rayons cosmiques (particules de haute énergie qui sillonnent la Galaxie) avec le gaz interstellaire. Fermi a montré qu’une émission de ce type a également lieu dans les galaxies proches, de manière assez similaire à celle observée dans notre Galaxie. La cartographie détaillée de notre Galaxie a permis de mesurer la différence de densité des rayons cosmiques entre le centre et les régions extérieures. Il est probable que la grande énergie des rayons cosmiques est acquise lors de leur interaction avec les chocs créés par les vestiges de supernovae. Fermi, en cartographiant les restes de supernovae les plus brillants, peut tester cette théorie en mesurant l'excès d'émission par rapport au milieu interstellaire ordinaire.

• Les sursauts gamma : Les sursauts gamma, ces brèves et intenses bouffées de photons de haute énergie, sont la conséquence de l'effondrement d'une étoile massive en un trou noir, propulsant lors de cette phase des jets ultra relativistes. Grâce à son grand champ de vue (et l'association avec le détecteur de sursauts  GBM), le télescope LAT étend l'étude des sursauts gamma jusqu'au domaine d'énergie voisin du GeV. A cette énergie, les modèles de chocs relativistes prédisent une atténuation du flux de photon gamma par production de paires, que Fermi n’a pas encore clairement observée.

• Les éruptions solaires : Le satellite EGRET a découvert que le Soleil émettait des photons gamma de haute énergie, de l'ordre du GeV. Malgré la faiblesse du dernier cycle solaire, Fermi a pu étudier plusieurs de ces éruptions et déterminer les particules responsables de l'émission observée.

• Les noyaux actifs de galaxies et les blazars : Le satellite EGRET a découvert que les blazars, une classe de la famille des noyaux actifs de galaxies, sont des sources intenses de rayonnement gamma. En fait, ils émettent l'essentiel de leur luminosité dans ce domaine d'énergie. Cette émission, hautement variable dans le temps, est vraisemblablement due à la présence de jets relativistes pointant dans la direction de la Terre. Le réservoir d'énergie provient de l'accrétion de matière sur un trou noir supermassif situé au coeur de la galaxie. Le nombre de ces sources est passé de 70 (nombre de ces objets découverts par EGRET) à plusieurs milliers. Elles sont classées en plusieurs familles, allant des objets lointains et très lumineux dont le pic d’émission est en-dessous du GeV à des objets proches moins lumineux dont le pic d’émission est au TeV. Le balayage régulier de la voûte céleste par la mission Fermi permet de détecter rapidement les éruptions des blazars et d'avertir l'ensemble de la communauté en vue d'observations à d'autres longueurs d'onde.

• Le champ de rayonnement intergalactique :  Les rayons gamma de haute énergie (100 GeV) peuvent interagir avec les photons ultra-violets (10 eV) en créant des paires électron-positon. En atténuant le signal à haute énergie, cet effet conduit à une modification de la distribution en énergie (spectre) de la source responsable de l'émission. En mesurant cet effet sur des milliers de sources en fonction du décalage vers le rouge, on obtient des informations sur le champ de rayonnement ultra-violet, reflet de l'histoire du taux de formation d'étoiles dans l'Univers.

• La matière noire et les particules exotiques : Fermi recherche l'existence de ces particules, prédites par certaines théories de physique comme la supersymétrie, grâce à  leur signature en photon gamma. La désintégration de ces particules élémentaires nouvelles dans le halo de la Galaxie laisserait comme trace une raie d'émission caractéristique, localisée autour du centre galactique. Par ailleurs le fond gamma extragalactique (composé principalement d'une myriade de noyaux actifs de galaxies) est en grande partie résolu par Fermi. Une composante gamma véritablement diffuse ne peut que représenter une faible fraction du total.

Les thèmes qui concernent plus particulièrement le DAp sont:

• L'émission diffuse produite par l'interaction des rayons cosmiques avec le milieu interstellaire (matière et champs de rayonnement) et la propagation des rayons cosmiques dans la Galaxie.

• La masse des nuages interstellaires dans la Galaxie et les galaxies voisines

• Les restes de supernova et l'accélération des rayons cosmiques

• Les pulsars et leur nébuleuse synchrotron

• Les objets compacts (trous noirs, étoiles à neutrons) dans un système binaire

• Le centre de notre Galaxie

• Les sources non identifiées