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Origine des rayons cosmiques : Fermi confirme la piste des supernovae

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On le suppose depuis des décennies : au moins une partie des rayons cosmiques provient de mécanismes d'accélération des protons dans les restes de supernovae. Après des années d'observations dans le domaine des rayons gamma avec le télescope Fermi, les astrophysiciens viennent de confirmer l'existence de protons accélérés à de grandes vitesses dans deux restes de supernovae, IC 443 et W44.

Enrico Fermi étaient le dernier théoricien qui connaissait toute la physique de son temps en plus d'être un grand expérimentateur. On lui doit des contributions à la théorie de la relativité générale, la théorie de la désintégration bêta et bien sûr la création de la première pile atomique. Vers la fin de sa vie, il a travaillé sur l'origine des rayons cosmiques en proposant des mécanismes d'accélération. © DP

En 1912, le physicien autrichien Victor Franz Hess découvre l'existence des rayons cosmiques. À l'aide d'expériences réalisées en ballon, il constate que le taux d'ions présents dans l'atmosphère augmente avec l'altitude alors que l'on imaginait jusque-là l'inverse, puisque c'est la croûte terrestre qui abrite les éléments radioactifs. Ces mesures en altitude démontrent donc qu'il existe un rayonnement ionisant en provenance de l'espace et frappant les hautes couches de l'atmosphère.

Dans les décennies qui suivirent, l'étude des rayons cosmiques permit de découvrir de nouvelles particules élémentaires, comme les pions et les muons, avant que l'on ne construise après la seconde guerre mondiale des accélérateurs suffisamment puissants pour les produire directement en laboratoire.

Cette image composite, réalisée avec des photographies prises par plusieurs télescopes, montre le reste de supernova IC 443, situé à 5.000 années-lumière du Soleil dans la constellation des Gémeaux. On l'appelle parfois la nébuleuse de la Méduse. Les émissions de rayons gamma observées par Fermi sont ici montrées en magenta et celles dans le visible en jaune. Les autres couleurs correspondent à des émissions dans l’infrarouge. © NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, NOAO/AURA/NSF, JPL-Caltech/UC

Il doit exister des accélérateurs à particules dans l'espace

La question de l'origine de ces rayons s'est bien sûr posée et, dès 1949, le grand physicien Enrico Fermi a proposé des mécanismes d'accélération des particules chargées dans des nuages interstellaires magnétisés. Par la suite, on a généralement admis que les rayons cosmiques doivent probablement leur existence aux explosions de supernovae et que les mécanismes de Fermi, rassemblés sous le nom d'accélération de Fermi, doivent être à l'œuvre dans les restes de supernovae. En gros, des passages successifs des particules chargées à travers le front de l'onde de choc causée par l'explosion d'une supernova, en raison de mouvements browniens, peuvent parfois conduire à une nette accélération pour certaines d'entre elles.

Malheureusement, ces hypothèses sont difficiles à tester. Les rayons cosmiques sont constitués à 90 % de protons, le reste étant des électrons et des noyaux. Ils subissent l'effet des champs magnétiques parfois turbulents lors de leurs déplacements dans la Voie lactée, ce qui a pour effet de rendre leurs trajectoires très complexes, un peu comme celle, là aussi, d'une particule suivant un mouvement brownien. Il est donc difficile d'associer une source précise sur la voûte céleste à des gerbes de particules secondaires, produites par des rayons cosmiques heurtant des noyaux de la haute atmosphère.

Deux restes de supernovae sous l'œil gamma de Fermi

Un article récemment publié sur arxiv par les membres de la collaboration Fermi, utilisant le télescope gamma portant le nom du grand physicien italien, vient pourtant d'apporter une contribution significative à l'élucidation de l'énigme de l'origine des rayons cosmiques. Pour cela, les chercheurs ont mis à profit le fait que les rayons gamma ne sont pas déviés par les champs magnétiques galactiques. En conséquence de quoi ils ont observé, sur une période de 4 ans, deux restes de supernovae, IC 443 et W44.


Cette vidéo explique pourquoi les observations de Fermi aident à percer le mystère de l'origine des rayons cosmiques. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © Nasa Explorer

Les ondes de choc associées aux explosions des deux supernovae ayant produit ces restes se propagent dans des nuages moléculaires froids. Il en résulte que des rayons gamma sont émis par ces nuages, visiblement bombardés par des particules énergétiques en provenance des restes de supernovae. Mais, problème, a priori, électrons et protons peuvent tous deux être responsables de ces émissions gamma. Si elles sont dues à des électrons accélérés alors il ne faut pas chercher dans les restes de supernova les accélérateurs naturels de protons, lesquels constituent 90 % des rayons cosmique comme on l'a dit.

Le test de la désintégration gamma des pions

Il y a toutefois un moyen de départager les hypothèses. Si les protons sont bien à l'origine des émissions gamma, une partie de leur spectre doit être légèrement différente de celui que causeraient des électrons. La raison en est que les protons suffisamment énergétiques, lors de chocs avec des noyaux, produisent des pions neutres qui se désintègrent en photons gamma, alors que des électrons très rapides émettent directement ces photons. Les mesures précises réalisées avec Fermi ont fini par montrer que la trace des pions produisant les émissions gamma était bel et bien là. Les protons accélérés à de très grandes vitesses dans les restes de supernovae sont bien responsables du rayonnement gamma observée.

La thèse expliquant l'origine d'au moins une partie non négligeable des rayons cosmiques par des explosions de supernovae en sort donc très renforcée. L'énigme n'est malgré tout pas complètement résolue car il existe des rayons cosmiques à très hautes énergies qui ne peuvent pas s'expliquer en invoquant des restes de supernovae. On a tenté de faire intervenir des trous noirs supermassifs au cœur des galaxies, mais cette explication reste à ce jour problématique.