Mots-clés |
  • physique,
  • Astronomie

IceCube et l'énigme des rayons cosmiques d’ultrahautes énergies

Les rayons cosmiques à ultrahautes énergies rendent perplexes les astrophysiciens depuis presque cinquante ans. On imaginait leur origine dans les sursauts gamma. L’analyse des mesures du flux de neutrinos réalisées avec le détecteur IceCube en Antarctique ne semble pas compatible avec cette hypothèse.

Un schéma montrant IceCube en Antarctique. Plusieurs modules capables de détecter la lumière Cerenkov (cône bleu) produite par les rayons cosmiques sont installés en colonnes verticales de plusieurs kilomètres dans la glace. © 2011 Exploratorium Un schéma montrant IceCube en Antarctique. Plusieurs modules capables de détecter la lumière Cerenkov (cône bleu) produite par les rayons cosmiques sont installés en colonnes verticales de plusieurs kilomètres dans la glace. © 2011 Exploratorium

IceCube et l'énigme des rayons cosmiques d’ultrahautes énergies - 2 Photos

PDF

Dès le début des années 1960, les physiciens ont commencé à découvrir qu’il existait dans les rayons cosmiques des particules possédant des énergies vertigineuses, bien supérieures aux 4.000 GeV des protons qui vont bientôt entrer en collision au LHC. Ainsi, en 1962, la Volcano Ranch experiment au Nouveau-Mexique observait une particule cosmique d'une énergie supérieure à un milliard de GeV. Depuis, on a détecté bien d’autres rayons cosmiques à ultrahautes énergies. Mais ceux-ci restent tout de même rares, les énergies restant plutôt comprises entre 10 MeV et 10 GeV.

Aux énergies des rayons cosmiques les plus fréquents, l’origine de ces particules, bien qu'incomplètement comprise, n’est pas vraiment mystérieuse. On peut la relier aux explosions de supernovae et à des mécanismes d’accélération proposés par exemple par Enrico Fermi. Il n’en est pas de même pour les ultra-high-energy cosmic ray (UHECR).

L'origine des rayons cosmiques n'est pas facile à déterminer. Ce sont en général des particules chargées, et donc sensibles aux champs magnétiques présents dans les galaxies, qui les dévient. La direction d’arrivée sur Terre d’un rayon cosmique peut donc être très différente de celle où se trouvait sa source. Comme il faut disposer d’une bonne résolution angulaire pour associer une particule dans le flux de rayons cosmiques à une source astrophysique précise, on imagine que les choses ne sont pas simples.

Une vue d'artiste des rayons cosmiques entrant en collision avec les noyaux de l'atmosphère et provoquant des gerbes de particules secondaires atteignant le sol de la Terre. © Asimmetrie/Infn
Une vue d'artiste des rayons cosmiques entrant en collision avec les noyaux de l'atmosphère et provoquant des gerbes de particules secondaires atteignant le sol de la Terre. © Asimmetrie/Infn

Bien sûr, pour qui s'intéresse surtout à la physique des hautes énergies elle-même, l'origine n'a pas beaucoup d'importance. Historiquement, les rayons cosmiques ont ainsi permis de découvrir le positron, le muon et le méson pi de Yukawa. Aujourd’hui, avec AMS, on traque des signes de l’existence de la matière noire ainsi que des indices sur sa nature.

Autre question soulevée par les UHECR : trouver une source d’énergie suffisamment puissante, avec un mécanisme d’accélération suffisamment efficace, pour expliquer des valeurs pouvant atteindre les 300 milliards de GeV mesurés en 1991 avec l’événement causé par une particule baptisée « Oh-My-God » pour des raisons évidentes.

Trous noirs supermassifs ou sursauts gamma ?

Deux hypothèses étaient principalement en lice. Pendant un temps, suite aux observations effectuées avec Auger, on a même pensé avoir résolu l'affaire. Les UHECR devaient être associés aux noyaux actifs de galaxie, c'est-à-dire les trous noirs supermassifs comme ceux alimentant les quasars. Mais des observations complémentaires ont rendu cette idée problématique.

Une autre source possible des UHECR fait intervenir les sursauts gamma. Un moyen de tester cette hypothèse était de mesurer sur Terre le flux de neutrinos de très hautes énergies, par exemple avec le détecteur IceCube en Antarctique.

Si les UHECR tirent leur origine des sursauts gamma, les protons à ultrahautes énergies les accompagnant doivent entrer en collision et finir par produire des neutrinos de très hautes énergies eux aussi. Ces neutrinos n’étant pas chargés, comme les photons gamma, ils ne sentent pas les champs magnétiques et on doit donc trouver un lien net entre le flux de ces neutrinos et le nombre de sursauts gamma observés sur Terre pendant une période de quelques années. De 2005 à 2010, environ 200 sursauts gamma ont été observés. Les chercheurs s’attendaient à ce qu’IceCube détecte de 8 à 9 neutrinos associés aux sursauts gamma.

L’analyse des données a pris du temps et c’est finalement à l’occasion des Rencontres de Moriond qui se tiennent actuellement que les chercheurs ont révélé le bilan des observations de IceCube.

Aucun neutrino associé à des sursauts gamma n’a été détecté.

L’énigme de l’origine des UHECR demeure donc...


Sur le même sujet

Vos réactions

Chargement des commentaires