Les télescopes LST-1 et MAGIC repoussent les limites de l’astronomie gamma

Un record venu de l’Univers lointain

Les observations menées par le prototype LST-1 du Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) et par les deux télescopes MAGIC ont établi OP 313 comme le blazar le plus lointain jamais détecté en rayons gamma de très haute énergie — des photons dont l’énergie dépasse 100 GeV. Ce quasar radio à spectre plat, situé à un décalage vers le rouge de z = 0,997, se trouve à environ 8 milliards d’années-lumière. 3

Le signal a été observé pendant une éruption survenue en décembre 2023. LST-1 et MAGIC ont mesuré une émission significative, d’environ 0,3 unité du Crabe au-dessus de 100 GeV. Cette unité sert de référence aux astronomes pour comparer l’intensité des sources gamma à celle de la nébuleuse du Crabe, l’un des objets les plus brillants du ciel dans ce domaine. 3

Comment les photons ont-ils été détectés ?

LST-1 a pointé OP 313 après une alerte du satellite Fermi-LAT, qui avait repéré une hausse de l’activité de la source. Son seuil de détection particulièrement bas et sa grande surface collectrice ont rendu possible l’observation de photons gamma très énergétiques provenant d’un objet aussi éloigné. Les observations indépendantes de MAGIC ont ensuite confirmé et prolongé la mesure. 73

Ces instruments ne détectent pas directement les rayons gamma depuis le sol. Lorsqu’un photon gamma pénètre dans l’atmosphère terrestre, il déclenche une gerbe de particules qui produit un bref éclair de lumière bleue, appelé lumière Tcherenkov. Les grands miroirs des télescopes recueillent cet éclair afin de reconstituer l’énergie et la direction du photon initial.

Une lumière émise quand l’Univers était encore jeune

Le décalage vers le rouge de OP 313 indique que les photons observés ont été émis alors que l’Univers était bien plus jeune, peu après l’époque où la formation des étoiles atteignait son maximum, souvent surnommée le « midi cosmique ». Ils ont ensuite voyagé pendant environ 8 milliards d’années avant d’atteindre la Terre. 31

Le record concerne précisément un blazar — une galaxie active dont le jet est orienté vers la Terre — observé en très haute énergie. Il ne signifie pas nécessairement que OP 313 est la source la plus lointaine jamais détectée pour toutes les catégories de phénomènes transitoires gamma. 3

Les rayons gamma comme sonde de la lumière cosmique

Sur leur trajet, les photons gamma de très haute énergie ont rencontré la lumière extragalactique diffuse — ou EBL, pour extragalactic background light. Ce rayonnement est la somme de la lumière produite au fil du temps par les étoiles et les galaxies, principalement dans les domaines optique et infrarouge.

Lorsqu’un photon gamma suffisamment énergétique interagit avec un photon de l’EBL, la collision peut créer une paire composée d’un électron et d’un positron. Le photon gamma disparaît alors du faisceau observé. Cette absorption dépend de l’énergie et de la distance parcourue : elle laisse donc une empreinte dans le spectre reçu sur Terre.

En comparant le spectre attendu de la source avec les données de Fermi, LST-1 et MAGIC, les chercheurs ont pu contraindre la densité totale de l’EBL. L’analyse de LST-1 fournit notamment une limite supérieure de λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ à 0,6 μm. 3

À l’origine de l’éruption : des électrons accélérés

Les données couvrant plusieurs longueurs d’onde sont compatibles avec un scénario dans lequel des électrons hautement relativistes circulent dans le jet de OP 313. Ces électrons diffusent des photons de plus basse énergie et les propulsent, par diffusion Compton inverse, jusque dans le domaine des rayons gamma.

Le jet est orienté très près de notre ligne de visée. Cet effet, appelé beaming relativiste, concentre le rayonnement dans notre direction et rend l’émission apparente particulièrement intense. 3

Une validation importante pour LST-1

Cette observation constitue la première découverte scientifique de LST-1, alors que le télescope était encore en phase de mise en service. Elle montre que le prototype peut explorer le régime gamma de très haute énergie à basse énergie, un domaine crucial pour étudier les sources lointaines dont le rayonnement est fortement atténué par l’EBL.

La prochaine étape sera l’exploitation du réseau de quatre grands télescopes LST du CTAO-North, à La Palma. Son inauguration est prévue le 15 octobre 2026. Conçu pour atteindre des énergies d’environ 20 GeV, ce sous-réseau devrait améliorer la sensibilité aux sources gamma lointaines et pourrait permettre d’observer des objets encore plus éloignés. 1245