Les rayons cosmiques de hautes énergies proviendraient d'au-delà de la Galaxie. Ici, une vue d'artiste d'une gerbe atmosphérique au-dessus d'un détecteur de particules de l'observatoire Pierre-Auger, sur fond de ciel étoilé. © A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret

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Les rayons cosmiques de hautes énergies proviendraient d'au-delà de la Galaxie

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Le gigantesque détecteur Pierre-Auger aurait enfin permis de démontrer que les plus énergétiques des rayons cosmiques ne proviennent pas de la Voie lactée. Reste cependant à savoir s'ils sont bien issus des trous noirs supermassifs situés au cœur des quasars, comme les spécialistes le soupçonnent.

  • Il y a dix ans, les chercheurs de l'observatoire Pierre-Auger, situé dans la pampa, en Argentine, pensaient avoir localisé les sources à l'origine des rayons cosmiques de très hautes énergies : les trous noirs supermassifs des noyaux actifs de galaxies. Cette découverte a été remise en question depuis.
  • Mais ces mêmes chercheurs pensent avoir trouvé une autre manière d'utiliser leur détecteur géant de rayons cosmiques. Ils avancent aujourd'hui qu'ils sont au moins sûrs que les rayons les plus énergétiques ne viennent pas de la Voie lactée.

Avec les rayons gamma et les ondes gravitationnelles, les rayons cosmiques sont une fenêtre ouverte sur les phénomènes les plus énergétiques qui se produisent dans le cosmos observable. Leur étude pourrait peut-être nous révéler l'existence d'une nouvelle physique, notamment en relation avec la matière noire et la gravitation quantique, ou, pour le moins, nous en apprendre beaucoup sur la physique et l'astrophysique des trous noirs et des quasars.

Mais il faut pour cela se tourner vers l'étude des rayons cosmiques à hautes énergies, qui sont relativement rares. Il n'est pas très difficile d'étudier ceux qui proviennent du Soleil, pour l'essentiel des protons et des noyaux d'hélium à basses énergies, mais ils sont désormais bien connus et on ne s'attend pas à des surprises avec eux. Quant aux rayons dont les énergies sont un peu plus élevées, ils proviennent très vraisemblablement d'objets situés dans la Voie lactée, en l'occurrence des explosions d'étoiles en supernovae, et ils sont accélérés par des processus relativement bien compris depuis les travaux de Fermi sur les champs magnétiques du milieu interstellaire. Mais, à des énergies nettement plus grandes, les défis théoriques et expérimentaux pour observer ces rayons et les comprendre sont plus importants.

Une présentation des rayons cosmiques et de l'observatoire Auger. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © TEDx Talks

Des particules un millions de fois plus énergétiques qu'au LHC

Pour cette raison, environ 400 scientifiques de 18 pays ont joint leur effort pour la construction et l'exploitation d'un détecteur de rayons cosmiques géant installé dans la pampa, en Argentine. Il s'agit de l'observatoire Pierre-Auger, du nom du physicien français pionnier de l'étude des particules cosmiques. Depuis 2004, ils collectent patiemment les photons émis par effet Tcherenkov grâce à un réseau de 1.600 détecteurs répartis sur une surface de 3.000 kilomètres carrés. Il s'agit, en quelque sorte, de l'onde de choc lumineuse produite dans l'air par des particules secondaires, elles-mêmes produites en gerbes par des chocs de particules bien plus énergétiques avec les noyaux de la haute atmosphère. Une seule de ces particules cosmiques peut contenir tellement d'énergie qu'elle provoque alors la création d'un grand nombre de particules qui, elles-mêmes, vont en créer d'autres par le même processus qui se poursuit, telle une avalanche s'amplifiant jusqu'au sol. Il est ainsi possible d'obtenir plus de 10 milliards de particules secondaires réparties sur plus de 40 kilomètres carrés.

En 2007, les données collectées avaient paru suffisantes pour commencer à penser que l'origine des rayons cosmiques de très hautes énergies avait enfin été déterminée. On pensait que ces rayons devaient résulter de processus qui ne se trouvent qu'aux abords des trous noirs supermassifs quand ceux-ci sont à l'origine des noyaux actifs des galaxies — ce n'est pas le cas du trou noir situé au cœur de la Voie lactée qui est aujourd'hui très tranquille comparé aux quasars (ces derniers sont des astres compacts pouvant se comporter comme des superaccélérateurs cosmiques, permettant de produire des jets de particules dont les énergies peuvent être un million de fois supérieures à celles des protons du LHC).

Carte du ciel montrant le flux de rayons cosmiques. La région présentant un excès de rayons cosmiques est entourée (à droite). Le centre galactique est au centre de l'ellipse. © Collaboration Pierre-Auger

Ces rayons ne peuvent pas provenir de la Voie lactée

Toutefois, les évènements observés par Auger ne permettaient en fait pas de conclure. Il faut se souvenir en effet — et cela était bien connu avant le démarrage d'Auger — que les champs magnétiques dans la Voie lactée dévient les rayons cosmiques, qui sont des particules chargées, même si l'effet est moins important pour des particules à très hautes énergies. Celles-ci vont donc avoir tendance à effectuer une sorte de « marche de l'ivrogne » stochastique, comme disent les physiciens, et il est alors nullement évident de dire que la direction de laquelle elles semblent venir sur la voûte céleste indique bien la position de sa source.

Aujourd'hui, les chercheurs des astroparticules pensent avoir enfin contourné le problème, comme ils l'expliquent dans un article publié par le journal Nature. Pour cela, ils ont, en quelque sorte, montré que le flux d'environ 30.000 rayons cosmiques très énergétiques détectés entre 2004 et 2016 était en moyenne environ 6 % plus élevé dans une large région de la voûte céleste (une zone du ciel pointant à 120 degrés du centre galactique) que si ce flux était parfaitement uniforme. Cela ne permet pas de localiser précisément les sources de ces rayons, mais, grâce à cela, il est toutefois possible de passer le seuil des fameux 5 sigmas et de pouvoir affirmer que, du fait de cette absence d'uniformité, ces rayons ne peuvent pas provenir de la Voie lactée ; car les champs magnétiques de notre Galaxie auraient dû uniformiser la répartition des rayons sur la voûte céleste.

Il reste tout de même encore à relier ces rayons cosmiques à des objets extragalactiques. Pour cela, Auger devra encore accumuler des observations. Encore un peu de patience.

Pour en savoir plus

Des rayons venus de noyaux actifs de galaxies

Article de Laurent Sacco publié le 15/11/2007

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 cosmiques 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.

© 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.

© Observatoire Pierre-Auger

Sur la carte ci-dessus sont représentés en rouge 472 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.