L'astronomie multimessager permet d'étudier des phénomènes astrophysiques, notamment en combinant l'observation de photons à diverses longueurs d'onde avec le spectre des particules chargées à haute énergie arrivant aux frontières de l'atmosphère terrestre. Certaines de ces particules chargées sont des protons et il est de plus en plus clairement établi que ces rayons cosmiques sont accélérés par des explosions de supernovae.

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Comme on peut s'en rendre compte à la lecture du précédent article de Futura ci-dessous, cela fait un siècle que la noosphère a découvert l'existence des rayons cosmiques. Cela a permis de faire progresser notre connaissance des particules élémentaires et au passage de démontrer l'existence de l'antimatièreantimatière avant que les particules exotiquesexotiques, et à l'existence fugace mise en évidence dans les rayons cosmiques, ne soient fabriquées par des collisions de particules à des énergies de plus en plus hautes.

L'étude des rayons cosmiques se poursuit, déjà parce que certaines des particules présentes ont été accélérées à des énergies impossibles à atteindre même avec de nos jours le LHC, mais aussi parce qu'elles nous renseignent sur des phénomènes astrophysiquesastrophysiques. L'étude des neutrinos cosmiques, par exemple, peut nous aider à comprendre les noyaux actifs de galaxiesnoyaux actifs de galaxies, alimentés en énergieénergie par des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs en rotation accrétant de la matièrematière.

Mais il y a un hic, comme l'expliquait déjà Futura. Les rayons cosmiques sont très majoritairement des particules chargées, ce qui veut dire que dans les champs magnétiques turbulents à l'intérieur des galaxies elles sont déviées par ces champs et s'y déplacent en effectuant un mouvementmouvement brownien et donc stochastiquestochastique. En clair, la direction dont semble provenir sur la voûte céleste un proton très énergétique, créant une gerbe de particules secondaires en entrant en collision avec un noyau de la haute atmosphèreatmosphère, peut ne rien avoir à faire avec son lieu d'origine sur la même voûte céleste.

Heureusement, les astrophysiciensastrophysiciens sont malins et ils se sont dotés d'un outil et d'une stratégie leur permettant de remonter à l'origine de certains de ces protonsprotons à haute énergie dans la Voie lactéeVoie lactée. Ils viennent de publier à ce sujet un article dont on peut trouver une version en accès libre sur arXiv.  


Les PeVatrons à l'origine de certains rayons cosmiques seraient bien des supernovae. 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 ». © Nasa’s Goddard Space Flight Center

Des protons plus de 100 fois plus énergétiques qu'au LHC

Cet outil, c'est le télescopetélescope gamma dans l'espace de la NasaNasa baptisé Fermi, en l'honneur du célèbre physicienphysicien italien qui a proposé le premier des mécanismes d'accélération des rayons cosmiques, mécanismes que l'on trouve associés aux ondes de choc des explosions de supernovae dans le milieu interstellaire.

Il y a quelques années, comme l'expliquait en détail l'article de Futura ci-dessous, les observations de Fermi concernant des restes de supernovae avaient déjà permis de conforter l'existence des mécanismes avancés pour les protons cosmiques, qui sont d'ailleurs la composante majeure des rayons cosmiques, même si on peut trouver des positrons et des noyaux.

Aujourd'hui, les astrophysiciens expliquent donc qu'ils ont mis à contribution de façon similaire environ 12 ans de mesures du flux gamma par Fermi concernant un reste de supernovasupernova et que ces mesures confirmaient qu'au moins ce reste-là était bien un accélérateur de protons permettant de leur donner des énergies au moins égales au PeV, c'est-à-dire au moins 100 fois l'énergie d'un proton accéléré dans le LHC.

Ce reste de supernova, nommé G106.3+2.7, est donc un authentique PeVatrons et il se trouve dans la constellationconstellation de Céphée, une constellation circumpolaire de l'hémisphère nordhémisphère nord, à environ 2.600 années-lumièreannées-lumière du Système solaireSystème solaire. Il contient en son cœur un pulsarpulsar dénommé J2229+6114 dont on a toutes les raisons de penser que comme tous les autres pulsars, il est une étoile à neutronsétoile à neutrons laissée par l'explosion d'une étoile à l'origine du reste de supernova G106.3+2.7 .

Les chercheurs ont établi le spectrespectre en énergie des photonsphotons gamma entre 100 GeVGeV et 100 TeV en étudiant les données collectées par Fermi. Ce spectre n'est pas compatible avec celui de photons gamma qui seraient majoritairement produits par des électronsélectrons de hautes énergies entrant en collision avec des photons du rayonnement fossilerayonnement fossile en leur cédant une partie de son énergie selon un effet Comptoneffet Compton inverse (on sait que les pulsars sont des accélérateurs d'électrons et de positronspositrons). S'il s'agissait d'électrons, cela entrerait en contradiction avec la forme du spectre dans le domaine radioradio et X associé à G106.3+2.7.

Comme il y a quelques années, on aboutit donc à la conclusion que les photons gamma observés par Fermi proviennent de la désintégration de mésonsmésons π neutres, mésons π produits par des collisions faisant intervenir des protons à des énergies pouvant atteindre et dépasser le PeV.

 


Origine des rayons cosmiques : Fermi confirme la piste des supernovae

Article de Laurrent Sacco, publié le 18/02/2013

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 gammarayons gamma avec le télescope Fermi, les astrophysiciens viennent de confirmer l'existence de protons accélérés à de grandes vitessesvitesses 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
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 ballonballon, il constate que le taux d'ionsions présents dans l'atmosphère augmente avec l'altitude alors que l'on imaginait jusque-là l'inverse, puisque c'est la croûte terrestrecroûte 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 muonsmuons, 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
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 FermiEnrico Fermi a proposé des mécanismes d'accélération des particules chargées dans des nuages interstellairesnuages 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 émissionsémissions gamma. Si elles sont dues à des électrons accélérés alors il ne faut pas chercher dans les restes de supernovarestes 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.