Les rayons cosmiques de hautes énergies proviendraient de noyaux actifs de galaxies

Les chercheurs de l’Observatoire Pierre Auger, situé dans la Pampa en Argentine, viennent de résoudre une vieille énigme. L’origine des rayons cosmiques à très hautes énergies serait bien associée aux noyaux actifs de galaxies, et donc à des trous noirs dépassant le million de masses solaires.

L’étude des rayons cosmiques date des débuts du siècle dernier et, avant que l’homme ne soit capable de construire des accélérateurs suffisamment puissants à partir des années 1950, c’est avec eux que les premières grandes découvertes en physique des particules élémentaires ont été faites. On peut citer par exemple la confirmation de l’existence de l’anti-matière, avec la détection du positron par Anderson, la découverte du muon et l’identification du méson pi de Yukawa, responsable des forces nucléaires à basses énergies entre les nucléons.

C’est un retour aux sources qui est en train de se produire dans le domaine de la physique des hautes énergies avec une jeune et vigoureuse discipline : celle des astroparticules. En effet, nos accélérateurs approchent des limites technologiques et surtout budgétaires. Pour espérer tester des théories prenant le relais du modèle standard au-delà du TeV (téra électron-volt), les chercheurs se tournent  à nouveau vers les rayons cosmiques qui peuvent être des millions de fois plus énergétiques. On aura facilement une idée de ces énergies, en imaginant toute celle d’une balle de tennis d’un joueur de Roland Garros concentrée sur une particule plus petite qu’un atome !

Pour les étudier, un grand projet international a vu le jour il y a des années sous l’impulsion du prix Nobel James Cronin, le découvreur de la violation CP, si importante pour tenter d’expliquer la baryogenèse au début du Big Bang d’après les travaux de Sakharov. Cette collaboration rassemblant des chercheurs de 17 pays et de plus de 70 institutions (avec une forte participation du CNRS et des universités françaises) a entrepris la construction d’un énorme réseau de détecteurs de rayons cosmiques. L'endroit choisi : la Pampa argentine, cette immense plaine d'herbages.

Un observatoire de rayons cosmique sur 3.000 kilomètres carrés

Baptisé Observatoire Pierre Auger, en l'honneur d’un des grands pionniers français de la physique des rayons cosmiques, il est constitué de 1.600 détecteurs de particules sensibles au rayonnement Cerenkov, espacés de 1,5 kilomètre, s'étendant sur une surface de 3.000 kilomètres carrés. Ceux-ci sont complétés par 24 télescopes sensibles au rayonnement ultraviolet de fluorescence, causé par la collision d’un rayon cosmique avec les atomes d'azote de notre atmosphère. Lorsqu'un rayon cosmique possède une énergie suffisante, sa collision avec un noyau d'atome de notre atmosphère génère une cascade de particules, dites secondaires, atteignant le sol. L’ensemble de ces particules secondaires peut se retrouver répartie sur une surface de 40 kilomètres carrés.

Crédit : Universe review

La majeure partie des rayons cosmiques sont des protons et des noyaux atomiques comme ceux du fer, et si l’on comprend leurs origines et leurs modes d’accélération à basse énergie, ce n’est pas vraiment le cas à très hautes énergies. Dans le premier cas, les sources sont très probablement des supernovae et il intervient un mécanisme proposé par Enrico Fermi, mais lorsque que les énergies atteignent 10¹⁹ eV, les choses sont beaucoup moins claires. Toutefois, les conditions exceptionnelles régnant au voisinage des noyaux actifs de galaxies, en particulier les quasars, semblaient à beaucoup le bon endroit où chercher l’origine des UHECR (Ultra High Energy Cosmic Rays). Mais comment en être sûr ?

En effet, à cause de l’abondance des particules secondaires produites, il est difficile de remonter à la direction d’arrivée du rayon cosmique hautement énergétique arrivant sur Terre. Cette information est pourtant indispensable pour attribuer l'émission à une région précise du ciel occupée par un astre détectable dans le visible ou dans un autre domaine du rayonnement électromagnétique, comme celui des ondes radio, X et gamma.

Auger a spécifiquement été conçu pour relever ce défi et depuis sa mise en service en janvier 2004, c’est plus d’un million de rayons cosmiques avec 81 d’entre eux possédant une énergie supérieure à 40.10¹⁸ eV qui ont été détectés.

Précisons quand même que l’inconvénient causé par la grande multiplicité des particules secondaires créées par rapport à d’autres rayons cosmiques à des énergies un peu plus basses est compensé par un avantage. En effet, les rayons cosmiques à plus basse énergie sont plus sensibles aux champs magnétiques régnant dans le milieu interstellaire. Ceux-ci y provoquent une série de déviations aléatoires brouillant les pistes menant à la localisation exacte du lieu de création de ces particules. Les UHECR sont par contre eux très peu déviés.

Cliquez pour agrandir. Crédit : Observatoire Pierre Auger

Sur la carte ci-dessus sont représentés en rouge noyaux actifs de galaxies (AGN) dans un volume d'un rayon de 75 mégaparsecs ainsi que la localisation des UHECR représentés par des ellipses noires, d’environ 3° de taille angulaire sur la sphère céleste. On note une forte corrélation entre direction d’arrivée de ces rayons cosmiques et présence d’un noyau actif de galaxie.

Vraisemblablement, c’est dans les jets colossaux de particules associés aux quasars que doivent se produire les mécanismes à l’origine d’au moins une partie des UHECR observés sur Terre.

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