Comme toutes les radiations électromagnétiques, le rayonnement gamma est constitué de photons, c'est-à-dire de quanta du champ électromagnétique. Un photon gamma ne possède ni masse au repos ni charge électrique, mais il transporte une énergie, une quantité de mouvement et un moment cinétique. Son énergie est proportionnelle à sa fréquence et inversement proportionnelle à sa longueur d'onde. Plus la fréquence est élevée, plus l'énergie du photon est importante. Dans le cas du rayonnement gamma, les énergies sont généralement exprimées en électronvolts, avec des valeurs allant du domaine du mégaélectronvolt (MeV) jusqu'au gigaélectronvolt (GeV), au téraélectronvolt (TeV), voire au-delà dans certaines observations astrophysiques. Les longueurs d'onde correspondantes sont extrêmement petites, souvent inférieures au picomètre, et peuvent atteindre des dimensions très inférieures à celles des noyaux atomiques.

Cette très grande énergie explique les propriétés particulières du rayonnement gamma. Un photon gamma possède une énergie suffisante pour provoquer des ionisations, exciter des atomes, rompre certaines liaisons chimiques et, lorsque son énergie est suffisamment élevée, produire de nouvelles particules. Il appartient donc aux rayonnements ionisants. Son interaction avec la matière peut modifier profondément la structure électronique des atomes et, à des énergies plus importantes, intervenir directement dans des processus mettant en jeu les noyaux atomiques et les particules élémentaires. Cette capacité d'ionisation constitue à la fois l'intérêt scientifique et technologique du rayonnement gamma et l'une de ses principales caractéristiques en matière de radioprotection.

Le rayonnement gamma apparaît notamment lors de la désintégration radioactive de noyaux atomiques. Lorsqu'un noyau instable subit une transformation radioactive, le noyau fils peut se retrouver dans un état énergétique excité. Il revient alors vers un état de plus basse énergie en émettant un photon gamma. La transition gamma ne transforme donc pas nécessairement la nature chimique du noyau : elle permet principalement au noyau de perdre son excès d'énergie. Elle accompagne fréquemment les désintégrations alpha et bêta. Dans une désintégration bêta, par exemple, le noyau change de numéro atomique et le noyau fils peut être produit dans un état excité; celui-ci émet ensuite un ou plusieurs photons gamma.

Les niveaux d'énergie nucléaires étant quantifiés, les photons gamma provenant d'un radionucléide possèdent généralement des énergies bien déterminées. Cette propriété constitue la base de la spectrométrie gamma. En mesurant précisément les énergies des photons détectés, il est possible d'identifier les radionucléides présents dans un matériau et d'en déterminer les abondances relatives. Chaque isotope radioactif possède en effet une signature spectrale caractéristique, correspondant à l'ensemble de ses transitions nucléaires. La spectrométrie gamma est ainsi utilisée en physique nucléaire, en géochimie, en archéologie, en surveillance environnementale, en médecine nucléaire et dans de nombreux domaines industriels.

Le rayonnement gamma peut également résulter de réactions nucléaires. Lorsqu'un noyau absorbe une particule, capture un neutron ou entre en collision avec un autre noyau, le système résultant peut se retrouver dans un état excité et se désexciter en émettant des photons gamma. La capture radiative d'un neutron constitue par exemple un mécanisme important de production de rayonnement gamma. De nombreuses réactions nucléaires utilisées dans les réacteurs, les accélérateurs de particules et les laboratoires de physique nucléaire s'accompagnent ainsi de l'émission de photons gamma.

Les processus d'annihilation particule-antiparticule constituent une autre source fondamentale de rayonnement gamma. Lorsqu'un électron rencontre un positron, les deux particules peuvent s'annihiler et convertir leur énergie de masse en photons. Dans le cas d'une annihilation au repos, deux photons de 511 keV sont généralement produits en directions opposées afin de respecter les lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Cette raie à 511 keV possède une importance considérable en physique nucléaire et médicale. Elle est notamment exploitée par la tomographie par émission de positons, ou TEP, dans laquelle les photons issus de l'annihilation des positons permettent de reconstruire la distribution d'un traceur radioactif dans l'organisme.

À très haute énergie, le rayonnement gamma peut également être produit par des interactions entre particules relativistes. Dans les environnements astrophysiques, des électrons accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière peuvent émettre des photons gamma par différents mécanismes. L'émission synchrotron apparaît lorsqu'une particule chargée relativiste est déviée par un champ magnétique. L'électron perd alors une partie de son énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Dans certaines conditions, le rayonnement produit peut atteindre le domaine gamma.

Un autre mécanisme important est la diffusion Compton inverse. Un électron relativiste transfère une partie de son énergie à un photon de faible énergie, qui peut ainsi être propulsé vers le domaine des rayons X ou des rayons gamma. Ce processus joue un rôle majeur dans les environnements où coexistent des populations d'électrons relativistes et un champ intense de photons, comme les jets relativistes associés à certains noyaux actifs de galaxies ou certains vestiges de supernovae.

Les interactions hadroniques constituent également une source importante de photons gamma astrophysiques. Des protons ou des noyaux atomiques accélérés à très haute énergie peuvent entrer en collision avec de la matière environnante. Ces interactions produisent notamment des mésons, parmi lesquels des pions neutres. Ceux-ci se désintègrent extrêmement rapidement en photons gamma. L'observation de ces photons fournit donc indirectement des informations sur l'accélération des rayons cosmiques et sur les environnements traversés par ces particules.

À des énergies suffisamment élevées, un photon gamma peut produire une paire électron-positron lorsqu'il interagit avec le champ électrique d'un noyau. Ce phénomène est appelé production de paires. Il nécessite une énergie minimale correspondant à deux fois l'énergie de masse de l'électron, soit 1,022 MeV. Au-dessus de ce seuil, le photon peut donc disparaître en donnant naissance à un électron et à un positron, l'excédent d'énergie étant converti en énergie cinétique des particules. Ce processus constitue l'un des mécanismes fondamentaux de l'interaction du rayonnement gamma avec la matière.

L'effet photoélectrique constitue un autre mécanisme d'interaction. Le photon est totalement absorbé par un électron lié à un atome et lui transfère son énergie. L'électron est alors éjecté avec une énergie cinétique correspondant à l'énergie du photon diminuée de son énergie de liaison. L'atome ionisé se réorganise ensuite, ce qui peut produire des rayonnements secondaires caractéristiques. L'effet photoélectrique est particulièrement important pour les photons relativement moins énergétiques et dans les matériaux constitués d'éléments à numéro atomique élevé.

La diffusion Compton correspond à une interaction dans laquelle le photon gamma transfère une partie de son énergie à un électron et est diffusé avec une énergie plus faible. Cette interaction joue un rôle majeur dans l'atténuation des photons gamma dans la matière. Elle constitue également un mécanisme essentiel pour la compréhension de nombreux phénomènes astrophysiques et pour la conception des détecteurs.

L'importance relative de l'effet photoélectrique, de la diffusion Compton et de la production de paires dépend principalement de l'énergie du photon et de la nature du matériau traversé. Pour des photons de faible énergie, l'effet photoélectrique domine généralement. À des énergies intermédiaires, la diffusion Compton devient importante. À très haute énergie, la production de paires prend progressivement une place prépondérante. Cette évolution explique pourquoi les matériaux de protection et les détecteurs gamma doivent être choisis en fonction du spectre énergétique du rayonnement considéré.

Lorsqu'un faisceau gamma traverse une épaisseur de matière, son intensité diminue progressivement. Cette atténuation dépend de la composition et de la densité du matériau, ainsi que de l'énergie des photons. Contrairement aux particules chargées, les photons gamma ne sont pas freinés continûment par une multitude de petites interactions. Un photon donné peut parcourir une certaine distance avant d'interagir, ce qui confère au rayonnement gamma un caractère particulièrement pénétrant. Cette pénétration constitue une différence importante par rapport aux rayonnements alpha et bêta.

La protection contre le rayonnement gamma repose donc principalement sur trois paramètres : le temps d'exposition, la distance par rapport à la source et l'écran interposé entre la source et l'organisme. Réduire la durée d'exposition diminue directement la dose reçue. Augmenter la distance permet généralement de réduire fortement l'exposition lorsqu'il s'agit d'une source ponctuelle. Enfin, l'utilisation d'écrans suffisamment épais permet d'atténuer le flux de photons. Le plomb, le tungstène, le béton et certains autres matériaux denses sont couramment employés pour cette fonction, selon les applications et les niveaux d'énergie concernés.

La notion de demi-atténuation est particulièrement utile pour caractériser l'efficacité d'un matériau de protection. Elle correspond à l'épaisseur nécessaire pour réduire de moitié l'intensité d'un faisceau dans des conditions données. L'atténuation est généralement décrite par une loi exponentielle, car la probabilité qu'un photon survive à la traversée d'une épaisseur supplémentaire de matériau reste approximativement proportionnelle à l'intensité encore présente. En pratique, la protection contre les photons gamma de très haute énergie nécessite parfois des épaisseurs importantes de matériaux denses.

Il faut distinguer l'intensité du rayonnement de la dose reçue par un organisme. La dose absorbée correspond à l'énergie déposée par le rayonnement dans une unité de masse de matière. Pour tenir compte des effets biologiques différents selon la nature du rayonnement, on utilise également la dose équivalente et la dose efficace. Dans le cas du rayonnement gamma, le facteur de pondération radiologique est relativement faible par rapport à celui des particules alpha, mais les photons gamma restent dangereux parce qu'ils sont fortement pénétrants et peuvent irradier des tissus situés profondément dans l'organisme.

Les effets biologiques du rayonnement gamma résultent principalement de l'ionisation des molécules constituant les cellules. Les photons peuvent provoquer des ionisations directement, mais une partie importante des dommages biologiques résulte de processus indirects. L'interaction du rayonnement avec l'eau, qui constitue une fraction majeure de la matière biologique, peut produire des espèces chimiques réactives, notamment des radicaux libres. Ces espèces peuvent ensuite endommager l'ADN, les protéines et les membranes cellulaires. L'importance des effets dépend de la dose, du débit de dose, de la distribution spatiale du rayonnement et de la radiosensibilité des tissus.

À dose élevée, l'irradiation gamma peut provoquer des effets déterministes, caractérisés par l'existence d'un seuil et par une gravité qui augmente avec la dose. Des doses importantes peuvent entraîner des lésions tissulaires, des brûlures radiologiques, des atteintes de la moelle osseuse ou, à des niveaux extrêmes, un syndrome d'irradiation aiguë. À des doses plus faibles, le principal enjeu est le risque stochastique, notamment l'augmentation de la probabilité de développer certains cancers. La radioprotection vise donc à maintenir les expositions aussi faibles que raisonnablement possible tout en permettant la réalisation des activités nécessitant l'utilisation de sources ou d'instruments radioactifs.

Le rayonnement gamma possède néanmoins de nombreuses applications médicales. En médecine nucléaire, certains radionucléides émetteurs gamma sont administrés aux patients afin de suivre la distribution d'un traceur dans l'organisme. Une gamma-caméra détecte alors les photons émis et permet de produire des images fonctionnelles. La scintigraphie et certaines techniques de tomographie d'émission monophotonique, notamment la SPECT, reposent sur ce principe. Contrairement à l'imagerie anatomique classique, ces techniques fournissent principalement des informations sur le fonctionnement physiologique ou métabolique des organes.

Les rayonnements gamma sont également utilisés en radiothérapie. Dans certaines situations, des sources radioactives émettrices gamma peuvent être utilisées pour délivrer une dose de rayonnement à une région pathologique. La cobaltothérapie, historiquement importante, utilise notamment le cobalt-60, qui émet des photons gamma énergétiques lors de sa désintégration. Des techniques modernes d'irradiation exploitent également des sources gamma dans des dispositifs capables de concentrer la dose sur des volumes tumoraux déterminés.

L'industrie utilise largement le rayonnement gamma pour les contrôles non destructifs. La radiographie industrielle permet d'examiner l'intérieur de pièces métalliques, de soudures ou de structures sans les détruire. Les photons gamma traversent la matière et sont plus ou moins absorbés selon l'épaisseur et la densité rencontrées. Les défauts internes, comme les inclusions ou certaines fissures, peuvent ainsi apparaître sur une image radiographique. Cette méthode est particulièrement utile dans l'industrie nucléaire, la construction mécanique, la pétrochimie et les infrastructures.

Le rayonnement gamma intervient également dans la stérilisation de certains équipements médicaux et dans le traitement de matériaux. Les photons énergétiques peuvent détruire ou inactiver des micro-organismes en provoquant des dommages moléculaires et notamment des altérations de leur matériel génétique. L'irradiation gamma peut ainsi être utilisée pour stériliser certains dispositifs médicaux ou traiter certains produits dans des conditions contrôlées. Elle présente l'avantage de pouvoir pénétrer profondément dans des emballages, permettant une stérilisation sans nécessairement ouvrir le conditionnement.

En géologie et en sciences de la Terre, la radioactivité naturelle constitue une source importante de rayonnement gamma. Des isotopes présents naturellement dans les roches, notamment ceux des familles de l'uranium et du thorium ainsi que le potassium-40, produisent des émissions radioactives. La mesure du rayonnement gamma permet donc de caractériser les matériaux géologiques. Les diagraphies gamma réalisées dans les forages sont notamment utilisées pour identifier différentes lithologies et estimer la teneur en éléments radioactifs. Les argiles, souvent riches en potassium et associées à des éléments des séries de l'uranium et du thorium, présentent généralement des signatures gamma plus élevées que de nombreuses roches carbonatées.

L'étude du rayonnement gamma a également une dimension fondamentale en physique des particules. Les photons gamma de très haute énergie permettent d'étudier les accélérateurs naturels de l'Univers et de tester certains modèles de physique au-delà du modèle standard. Les observations cherchent notamment des signatures qui pourraient être associées à la matière sombre. Dans certains modèles, l'annihilation ou la désintégration de particules de matière sombre pourrait produire des photons gamma. Une éventuelle détection d'une signature gamma clairement attribuable à ce mécanisme constituerait une avancée majeure en physique fondamentale. Jusqu'à présent, cependant, aucune observation gamma ne fournit une identification non ambiguë de la matière sombre.

L'astronomie gamma.
Le rayonnement gamma possède également une importance en cosmologie. Les sources gamma extragalactiques peuvent être utilisées pour étudier l'évolution des populations de galaxies actives, la distribution des champs de rayonnement et la propagation des particules relativistes. Les photons gamma provenant de grandes distances peuvent en outre servir à sonder le rayonnement extragalactique diffus, c'est-à-dire l'ensemble des photons produits au cours de l'histoire de la formation stellaire et galactique. Leur absorption progressive fournit des informations sur la densité de ce rayonnement et sur l'histoire énergétique de l'Univers.

Il convient de distinguer le rayonnement gamma astrophysique du rayonnement cosmique. Les rayons cosmiques sont principalement constitués de particules chargées, notamment des protons et des noyaux atomiques, alors que les rayons gamma sont des photons. Cette distinction est essentielle parce que les particules chargées sont déviées par les champs magnétiques galactiques et intergalactiques, tandis que les photons se propagent approximativement en ligne droite dans l'espace-temps, sauf lorsqu'ils subissent des interactions. L'astronomie gamma permet donc généralement de mieux localiser les directions d'origine des phénomènes énergétiques.

Les observatoires gamma modernes exploitent différentes techniques selon le domaine énergétique étudié. Les satellites sont particulièrement efficaces pour les photons gamma qui peuvent atteindre directement leurs détecteurs depuis l'espace. Les observatoires terrestres peuvent quant à eux étudier indirectement les photons gamma très énergétiques grâce aux gerbes de particules qu'ils produisent dans l'atmosphère. Lorsqu'un photon gamma très énergétique entre dans l'atmosphère, il peut provoquer une cascade de particules secondaires. Certaines de ces particules produisent un rayonnement électromagnétique extrêmement bref, notamment le rayonnement Tcherenkov. Des télescopes spécialisés peuvent détecter cette lumière et reconstruire l'énergie et la direction du photon gamma initial.

Cette méthode permet d'étendre l'observation astronomique vers des énergies extrêmement élevées, là où les satellites deviennent moins efficaces parce que le flux de photons est trop faible et que les détecteurs spatiaux disposent d'une surface limitée. Les observatoires au sol exploitent donc l'atmosphère terrestre non seulement comme une barrière, mais également comme un gigantesque convertisseur naturel de photons gamma en gerbes de particules détectables.

La recherche gamma moderne s'intéresse également à la variabilité temporelle des sources. Certaines sources présentent des variations sur des années, d'autres sur des jours ou des heures, tandis que certains phénomènes, comme les sursauts gamma, évoluent sur des échelles de temps extrêmement courtes. Cette variabilité fournit une contrainte directe sur la taille des régions d'émission : une source ne peut pas varier de manière cohérente sur une durée donnée si sa taille est telle que l'information ne peut pas la traverser pendant cette même durée. Les observations gamma permettent ainsi d'étudier des régions astrophysiques très compactes et très dynamiques.

Le rayonnement gamma possède également une importance en cosmologie. Les sources gamma extragalactiques peuvent être utilisées pour étudier l'évolution des populations de galaxies actives, la distribution des champs de rayonnement et la propagation des particules relativistes. Les photons gamma provenant de grandes distances peuvent en outre servir à sonder le rayonnement extragalactique diffus, c'est-à-dire l'ensemble des photons produits au cours de l'histoire de la formation stellaire et galactique. Leur absorption progressive fournit des informations sur la densité de ce rayonnement et sur l'histoire énergétique de l'Univers.

Il convient de distinguer le rayonnement gamma astrophysique du rayonnement cosmique. Les rayons cosmiques sont principalement constitués de particules chargées, notamment des protons et des noyaux atomiques, alors que les rayons gamma sont des photons. Cette distinction est essentielle parce que les particules chargées sont déviées par les champs magnétiques galactiques et intergalactiques, tandis que les photons se propagent approximativement en ligne droite dans l'espace-temps, sauf lorsqu'ils subissent des interactions. L'astronomie gamma permet donc généralement de mieux localiser les directions d'origine des phénomènes énergétiques.

Les observatoires gamma modernes exploitent différentes techniques selon le domaine énergétique étudié. Les satellites sont particulièrement efficaces pour les photons gamma qui peuvent atteindre directement leurs détecteurs depuis l'espace. Les observatoires terrestres peuvent quant à eux étudier indirectement les photons gamma très énergétiques grâce aux gerbes de particules qu'ils produisent dans l'atmosphère. Lorsqu'un photon gamma très énergétique entre dans l'atmosphère, il peut provoquer une cascade de particules secondaires. Certaines de ces particules produisent un rayonnement électromagnétique extrêmement bref, notamment le rayonnement Tcherenkov. Des télescopes spécialisés peuvent détecter cette lumière et reconstruire l'énergie et la direction du photon gamma initial.

Cette méthode permet d'étendre l'observation astronomique vers des énergies extrêmement élevées, là où les satellites deviennent moins efficaces parce que le flux de photons est trop faible et que les détecteurs spatiaux disposent d'une surface limitée. Les observatoires au sol exploitent donc l'atmosphère terrestre non seulement comme une barrière, mais également comme un gigantesque convertisseur naturel de photons gamma en gerbes de particules détectables.

La recherche gamma moderne s'intéresse également à la variabilité temporelle des sources. Certaines sources présentent des variations sur des années, d'autres sur des jours ou des heures, tandis que certains phénomènes, comme les sursauts gamma, évoluent sur des échelles de temps extrêmement courtes. Cette variabilité fournit une contrainte directe sur la taille des régions d'émission : une source ne peut pas varier de manière cohérente sur une durée donnée si sa taille est telle que l'information ne peut pas la traverser pendant cette même durée. Les observations gamma permettent ainsi d'étudier des régions astrophysiques très compactes et très dynamiques.
 

Le rayonnement gamma astrophysique provient d'une grande diversité de phénomènes. Les supernovae constituent certaines des sources les plus importantes. Lorsqu'une étoile massive termine son évolution par une explosion, elle produit et redistribue de nombreux isotopes radioactifs. Certains d'entre eux, notamment le nickel-56 et ses produits de désintégration, le cobalt-56 puis le fer-56, émettent des photons gamma. Le suivi de ces émissions permet d'étudier la nucléosynthèse explosive et de déterminer la quantité d'éléments lourds produite au cours de l'explosion.

Les étoiles à neutrons peuvent également être des sources puissantes de rayonnement gamma. Ces objets extrêmement compacts possèdent des champs gravitationnels et magnétiques très intenses. Les pulsars, qui sont des étoiles à neutrons en rotation rapide, peuvent accélérer des particules chargées dans leur magnétosphère. Ces particules produisent alors des émissions électromagnétiques pouvant s'étendre jusqu'au domaine gamma. L'étude de ces émissions permet d'explorer les processus d'accélération des particules dans des champs électromagnétiques extrêmes.

Les magnétars représentent une autre catégorie particulièrement remarquable. Il s'agit d'étoiles à neutrons dont les champs magnétiques sont exceptionnellement intenses. Les réorganisations brutales de leur champ magnétique peuvent libérer d'immenses quantités d'énergie et produire de puissantes émissions de rayonnement X et gamma. Certains événements associés aux magnétars figurent parmi les phénomènes électromagnétiques transitoires les plus énergétiques connus dans l'Univers.

Les noyaux actifs de galaxies constituent également des sources majeures de photons gamma. Au centre de certaines galaxies se trouve un trou noir supermassif entouré d'un disque d'accrétion. La matière qui tombe vers le trou noir libère une énergie gravitationnelle considérable. Dans certains cas, des jets de plasma relativiste sont éjectés perpendiculairement au disque. Lorsque l'un de ces jets est orienté approximativement vers la Terre, la source peut apparaître extrêmement brillante dans le domaine gamma. Les blazars constituent ainsi une population particulièrement importante de sources gamma extragalactiques.

Les sursauts gamma, ou gamma-ray bursts, comptent parmi les phénomènes les plus énergétiques observés dans l'Univers. Ils se manifestent par des émissions extrêmement intenses et généralement très brèves de photons gamma, pouvant durer de quelques fractions de seconde à plusieurs centaines de secondes selon les événements. On distingue principalement les sursauts longs et les sursauts courts. Les sursauts longs sont généralement associés à l'effondrement de certaines étoiles massives, tandis que les sursauts courts sont souvent interprétés comme résultant de la fusion de deux objets compacts, notamment deux étoiles à neutrons ou une étoile à neutrons et un trou noir. Les jets relativistes produits dans ces événements jouent un rôle central dans la production du rayonnement gamma.

L'étude des sursauts gamma permet d'aborder plusieurs problèmes fondamentaux de l'astrophysique. Leur luminosité extrême permet d'observer des phénomènes situés à des distances cosmologiques. Ils constituent donc des sondes de l'Univers lointain et peuvent contribuer à l'étude de l'évolution des galaxies, de la formation des premières étoiles et de la propagation de la matière dans le milieu intergalactique. Leur variabilité temporelle très rapide indique également que les régions responsables de l'émission sont relativement compactes, malgré l'immense quantité d'énergie qu'elles libèrent.

L'observation astronomique du rayonnement gamma rencontre toutefois une difficulté fondamentale : l'atmosphère terrestre absorbe très efficacement la majorité des photons gamma. Cette absorption est essentielle pour la protection des organismes vivants contre le rayonnement cosmique, mais elle empêche également les instruments placés au sol d'observer directement la majeure partie du rayonnement gamma cosmique. Les premières observations spatiales ont donc nécessité l'utilisation de satellites équipés de détecteurs sensibles aux photons de haute énergie.

Les instruments gamma fonctionnent selon plusieurs principes physiques. Les détecteurs à scintillation utilisent des matériaux capables de produire une faible quantité de lumière lorsqu'ils absorbent le rayonnement. Cette lumière est ensuite convertie en signal électrique et analysée. Les détecteurs semi-conducteurs reposent sur la création de paires électron-trou par interaction avec le photon incident. Ils permettent généralement une excellente résolution en énergie. Les télescopes gamma de haute énergie peuvent également utiliser les effets secondaires produits lorsqu'un photon gamma interagit avec l'atmosphère terrestre.

En sciences planétaires, les rayonnements gamma permettent également d'étudier la composition des surfaces extraterrestres. Des sondes spatiales équipées de spectromètres gamma peuvent détecter les photons produits par la radioactivité naturelle ou par les interactions entre le rayonnement cosmique et les matériaux superficiels. Cette technique a notamment contribué à cartographier la distribution de certains éléments chimiques sur la Lune et sur Mars. Les mesures gamma peuvent ainsi fournir des informations sur la composition élémentaire des régolithes et sur l'histoire géochimique des corps planétaires.

En astrophysique, le rayonnement gamma possède une importance particulière parce qu'il permet d'observer des processus invisibles dans les autres domaines du spectre. Les photons gamma sont produits par des particules accélérées à des énergies extrêmes et peuvent donc révéler la présence de mécanismes d'accélération relativiste. Les observations gamma permettent notamment d'étudier les restes de supernovae, les pulsars, les magnétars, les noyaux actifs de galaxies, les jets relativistes et les interactions des rayons cosmiques avec la matière interstellaire.

Le rayonnement gamma constitue également une composante importante de l'astronomie dite multimessagère. Certains événements cosmiques produisent simultanément des photons, des neutrinos, des ondes gravitationnelles et des rayons cosmiques. La détection conjointe de plusieurs de ces messagers permet d'étudier un même phénomène sous des angles physiques complémentaires. La détection d'ondes gravitationnelles produites par la fusion d'objets compacts, accompagnée d'une émission électromagnétique, constitue ainsi un exemple majeur de cette nouvelle approche de l'astrophysique. Le rayonnement gamma peut fournir des indications essentielles sur la physique des jets, la nucléosynthèse et les mécanismes énergétiques associés à ces événements.

Les photons gamma sont toutefois absorbés ou diffusés lorsqu'ils traversent le milieu interstellaire et, plus encore, lorsqu'ils parcourent de très grandes distances cosmologiques. À suffisamment haute énergie, ils peuvent interagir avec les photons du fond diffus cosmologique ou avec le rayonnement infrarouge et optique produit par les étoiles et les galaxies. Ces interactions peuvent conduire à la production de paires électron-positron. Le rayonnement gamma devient ainsi un outil permettant d'étudier non seulement les sources qui l'émettent, mais aussi les champs de photons et la matière présents sur le trajet entre la source et l'observateur.

Les photons gamma de très haute énergie peuvent également déclencher des cascades électromagnétiques. Un photon très énergétique produit une paire électron-positron; les particules produites peuvent ensuite diffuser des photons, qui à leur tour peuvent produire de nouvelles paires si leur énergie est suffisante. Une succession d'interactions peut ainsi transformer progressivement l'énergie initialement concentrée dans quelques photons très énergétiques en une population plus abondante de particules et de photons moins énergétiques. Ces cascades jouent un rôle important dans la propagation des rayonnements de très haute énergie à travers les environnements astrophysiques.