Rayonnement synchrotron

D'après les équations de Maxwell, toute particule chargée se déplaçant de façon non uniforme (par exemple sur une trajectoire circulaire) émet un rayonnement électromagnétique.

En effet, en dérivant l'équation de Maxwell-Ampère par rapport au temps, on obtient ${\displaystyle {\vec {rot}}({\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}})=\mu _{0}{\frac {\partial {\vec {j}}}{\partial t}}+{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}{\vec {E}}}{\partial t^{2}}},}$ puis en y injectant l'équation de Maxwell-Faraday : ${\displaystyle \Delta {\vec {E}}-{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}{\vec {E}}}{\partial t^{2}}}=\mu _{0}{\frac {\partial {\vec {j}}}{\partial t}}.}$ Si la particule de charge ${\displaystyle q}$ est initialement immobile ou en translation rectiligne uniforme, le champ qu'elle crée est stationnaire et donc aucune onde ne se propage. Dès que la particule est accélérée, le terme source ${\displaystyle \mu _{0}{\frac {\partial {\vec {j}}}{\partial t}}}$ de l'équation devient non nul (pour rappel, ${\displaystyle {\vec {j}}=\rho {\vec {v}}}$), initiant donc la propagation d'une onde électromagnétique[1].

Synchrotrons, synchrocyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires. Dans de tels accélérateurs, un champ électrique intense permet d'accélérer un faisceau de particules et un champ magnétique permet de dévier sa trajectoire. Dans le cas d'un synchrotron, ces particules sont généralement des électrons (plus rarement des positrons) et tournent à des vitesses relativistes.

Ce rayonnement dépend de la vitesse des électrons, mais couvre une très large partie du spectre électromagnétique, de l'infrarouge aux rayons X durs. Il est alors possible soit d'utiliser une gamme spectrale étendue (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, diffraction de Laüe), soit plus habituellement de monochromatiser ce faisceau blanc pour ne travailler qu'avec une bande très étroite de fréquences lumineuses. Dans le cadre de certaines expériences, absorption de rayons X EXAFS ou XANES par exemple, la possibilité de faire varier finement l'énergie du faisceau est un atout fondamental et permet de sonder précisément certaines transitions énergétiques.

Le rayonnement synchrotron est particulièrement brillant (intense et focalisé), il peut l'être 10000 fois plus que la lumière solaire. Dans la gamme des rayons X durs, la faible divergence du faisceau permet la mise en œuvre de méthodes de micro-imagerie, à l'échelle de quelques fractions de micromètre sur les lignes les plus performantes (comme celles de l'European Synchrotron Radiation Facility à Grenoble).

En outre, le rayonnement synchrotron est :

• assez facilement calculable ;
• très stable par rapport aux sources classiques ;
• polarisé (anisotropie) ;
• pulsé (observation de cinétiques ultra-rapides) ;
• et permet de travailler en cohérence de phase (diffraction cohérente, imagerie de contraste de phase).

Nébuleuse du Crabe : cette image est la combinaison de données optiques de Hubble (en rouge) et de rayons X de Chandra (en bleu). Les rayons X sont issus du rayonnement synchrotron d'électrons relativistes qui tournent dans le champ magnétique du pulsar central.

L'observation de ce rayonnement est essentiel en astrophysique, car de nombreux objets astrophysiques possèdent de puissants champs magnétiques. C'est à travers l'étude du rayonnement synchrotron qu'on peut par exemple comprendre la magnétosphère des pulsars.