L'air au-dessus de votre tête est animé par des averses invisibles. De puissantes particules en provenance de l'espace frappent constamment l'atmosphère au-dessus de vous, générant une cascade subatomique qui tire vers le bas à une vitesse proche de la lumière. Déterminer d'où proviennent ces pluies et ce qu'ils nous racontent à propos de l'univers relève de l'observatoire HAWC (High Altitude Water Cherenkov Water), un télescope composé de 300 réservoirs géants d'eau purifiée placés près du sommet du volcan Sierra Negra au Mexique.
L'objectif de HAWC est de trouver les phénomènes de plus haute énergie dans le cosmos; y compris les étoiles exotiques, les trous noirs supermassifs et la matière noire annihilante. De tels phénomènes produisent des rayons gamma, des photons de plus de mille milliards de fois l’énergie de la lumière optique que nous voyons et des rayons cosmiques, des noyaux atomiques chargés d’une énergie jusqu’à sept fois supérieure à celle des protons collés ensemble au Grand collisionneur de hadrons. Les origines des deux restent entourées de nombreux mystères, raison pour laquelle HAWC surveille en permanence une grande partie du ciel dans l’espoir d’en éclaircir quelques-uns.
Lorsqu'une particule à ultra haute énergie pénètre dans l'atmosphère terrestre et se bloque dans une molécule d'air, la réaction qui en résulte produit de nouvelles particules subatomiques. Chacune de celles-ci contient une énergie considérable. Elles continuent donc de briser, de réagir et de produire davantage de particules dans une avalanche de plus en plus vaste qui finit par s'étendre en un cercle de 100 mètres environ au moment où elle atteint le sol. Cette pluie de particules traverse les réservoirs du télescope qui se déplacent plus rapidement que la vitesse de la lumière dans l’eau (soit environ les trois quarts de sa vitesse dans le vide), créant l’équivalent optique d’un bang sonique: une explosion de lumière ultraviolette appelée rayonnement de Cherenkov. En caractérisant exactement comment et quand les particules rencontrent le réseau de réservoirs d'eau purifiée, les chercheurs peuvent déterminer où se trouve la source dans le ciel.
Environ 20 000 de ces averses sont enregistrées chaque seconde à HAWC mais presque toutes sont des rayons cosmiques, pas des rayons gamma. Comme les rayons cosmiques sont chargés, leur trajectoire de vol à travers l'univers est modifiée par des champs magnétiques, ce qui signifie que leurs points d'origine ne peuvent pas être déterminés. Les rayons gamma sont beaucoup plus rares - HAWC en voit environ 1 000 par jour - mais ils pointent en ligne droite vers leurs sources. Les télescopes à rayons gamma précédents devaient généralement viser des endroits précis du ciel, souvent seulement après que les chercheurs eurent été alertés de certains phénomènes de haute énergie se produisant là-bas. Parce que HAWC regarde l’univers à tout moment, il a une meilleure chance de capter ces rares flashes.
Achevé en mars 2015, l'observatoire a récemment publié sa première année de données: une carte du ciel révélant environ 40 sources extrêmement brillantes, dont beaucoup proviennent de notre galaxie, la Voie lactée. "Ce ne sont pas des stars ordinaires", a déclaré la physicienne Brenda Dingus du Laboratoire national de Los Alamos, porte-parole de HAWC.
La plupart sont des restes de supernova, conséquence de la puissante explosion survenue lors de la mort d'une étoile géante. Lorsque les ondes de choc générées par ces explosions se propagent vers l'extérieur, elles se heurtent à grande vitesse aux gaz et aux poussières environnants, générant un rayonnement gamma, processus qui peut se poursuivre pendant des milliers d'années. L'équipe HAWC espère découvrir des restes de supernova à différentes étapes de leur évolution et combiner leurs données avec celles d'autres télescopes travaillant à différentes longueurs d'onde pour comprendre les détails de ce processus complexe. Les restes de supernova ayant des champs magnétiques puissants, ils piègent et accélèrent les particules chargées, créant ainsi des rayons cosmiques. On pense que la plupart des rayons cosmiques que nous voyons ont leur origine dans de tels endroits, mais ils peuvent également être produits par des pulsars - des étoiles à neutrons super-denses à rotation rapide émettant un faisceau de radiations - et par des trous noirs en orbite autour les uns des autres. HAWC aidera les chercheurs à déterminer la puissance totale produite par tous ces différents accélérateurs de particules cosmiques.
Les données HAWC contiennent également plusieurs objets brillants situés en dehors de la galaxie. Parce qu'elles sont si éloignées, ces sources doivent être brillantes comme des projecteurs dans l'univers. Certains sont des noyaux galactiques actifs, de jeunes galaxies dont le trou noir supermassif central se régale d'une énorme surabondance de gaz et de poussière. Lorsque la matière tourne autour du trou noir, elle se réchauffe et libère des jets de rayonnement colossaux. HAWC a vu ces structures s'allumer périodiquement, mais la raison pour laquelle cela se produit reste inconnue.
L'observatoire espère également détecter les sursauts gamma, les phénomènes les plus énergétiques de l'univers connu. Pensé pour se produire quand une étoile supermassive s'effondre dans un trou noir, ces explosions libèrent la même quantité d'énergie en quelques secondes que notre soleil va au cours de sa vie entière. Comme ils sont si transitoires, les scientifiques ont eu du mal à les étudier, mais HAWC - qui observe le ciel en permanence - devrait en voir au moins deux par an.
Ensuite, il y a tout ce qui est vraiment révolutionnaire, que HAWC pourrait potentiellement observer. "La matière noire serait la chose la plus cool à trouver", a déclaré Dingus.
Bien que les scientifiques puissent voir les effets gravitationnels de ce matériau étrange dans l’univers, la matière noire ne produit aucun rayonnement électromagnétique et n’apparaît donc pas dans les télescopes ordinaires. Mais certains théoriciens supposent que des particules de matière noire pourraient se percuter les unes dans les autres et s’anéantir, processus qui devrait générer des rayons gamma. Dans des endroits comme les galaxies naines sphéroïdales, qui sont presque entièrement constituées de matière noire, cet annihilation devrait se produire constamment. Jusqu'à présent, personne n'a encore vu de rayonnement gamma significatif en provenance de ces petites galaxies faibles, mais de nouvelles sont découvertes tout le temps, ce qui laisse entrevoir la possibilité de percer l'un des plus grands mystères de l'astronomie.
Plus HAWC regarde longtemps dans l'univers, plus ses observations deviennent profondes et détaillées. Le fonctionnement initial de l'observatoire devrait s'achever en 2020. «Mais si nous voyons quelque chose de cool, nous pourrons peut-être courir plus longtemps», a déclaré Dingus.
