Les astronomes ont détecté le deuxième rayon cosmique le plus énergétique jamais observé : sa puissance équivaut à environ 40 millions de fois l’énergie du proton le plus énergétique accéléré par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Suisse. Elle serait originaire d’une région de l’espace comptant très peu de galaxies et située à proximité de la Voie lactée.
Une équipe d’astronomes a détecté un rayon cosmique à ultra haute énergie (UHECR) qui semble provenir d’une région presque vide de l’espace. L’origine de ce phénomène, l’un des plus énergétiques jamais observés, reste un mystère.
Les rayons cosmiques sont des particules subatomiques qui voyagent dans l’espace à des vitesses proches de celle de la lumière. La plupart d’entre eux proviennent du Soleil ou d’autres sources de notre galaxie et ont une énergie relativement faible.
Cependant, certains rayons cosmiques ont une énergie si élevée qu’ils dépassent la capacité des accélérateurs de particules les plus puissants construits par l’homme. Ces rayons cosmiques de très haute énergie sont très rares et difficiles à détecter, et leur origine constitue l’une des grandes énigmes de l’astrophysique.
Énergie puissante
Le rayon cosmique qui a retenu l’attention des astronomes a été détecté le 27 mai 2021 par l’observatoire Telescope Array, situé dans l’Utah, aux États-Unis. Cet observatoire dispose d’un réseau de détecteurs qui couvrent une superficie d’environ 700 kilomètres carrés, ce qui lui permet de capter les signaux produits par les rayons cosmiques lorsqu’ils entrent en collision avec l’atmosphère terrestre. Ces signaux sont constitués d’une pluie de particules secondaires et de rayonnements électromagnétiques qui se propagent en forme de cône.
Le rayon cosmique détecté avait une énergie d’environ 244 exa-électronvolts (EeV), ce qui équivaut à environ 40 millions de fois l’énergie du proton le plus énergétique accéléré par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Suisse. Il s’agit du deuxième rayon cosmique le plus énergétique jamais observé, surpassé seulement par celui que l’on appelle « Oh-My-God », qui a été détecté en 1991 et avait une énergie d’environ 320 EeV.
Amaterasu
Les astronomes ont nommé le nouveau rayon cosmique Amaterasu, en l’honneur de la déesse du soleil de la mythologie japonaise. « Quand j’ai découvert pour la première fois ce rayon cosmique à ultra haute énergie, j’ai pensé qu’il devait y avoir une erreur, car il montrait un niveau d’énergie sans précédent au cours des trois dernières décennies. » Expliquer Professeur Toshihiro Fujiide l’Université métropolitaine d’Osaka, qui a dirigé l’étude.
La chose la plus surprenante à propos de ce rayon cosmique est qu’il semble provenir d’une direction de l’espace où il n’existe aucune source connue capable de générer une particule aussi énergétique.
Les astronomes ont suivi le trajet du rayon cosmique et ont découvert qu’il pointe vers le Vide Local, une région de l’espace qui compte très peu de galaxies et qui est située près de la Voie Lactée. Cette région a un diamètre d’environ 150 millions d’années-lumière et on estime qu’elle ne contient que 10 % de la densité moyenne de matière de l’univers.
D’où vient-il ?
« Les résultats montrent que sa direction d’arrivée ne montre aucune galaxie source évidente, ni aucun autre objet astronomique connu considéré comme une source potentielle d’UHECR », expliquent les chercheurs dans leur article publié dans la revue Proceedings of the National Academy of. Les sciences . « Au lieu de cela, sa direction d’arrivée pointe vers une brèche dans la structure à grande échelle de l’univers, une région où résident très peu de galaxies. »
Cela soulève plusieurs possibilités. L’une d’elles est que le rayon cosmique a été dévié par les champs magnétiques qui existent entre les galaxies et que sa véritable origine est une autre source, plus lointaine et cachée.
Une autre possibilité est qu’il existe une source inconnue dans le Vide Local capable de générer des rayons cosmiques de très haute énergie. Une troisième option est que les astronomes ne comprennent pas entièrement la physique de ces particules et qu’il existe un mécanisme qui leur permet d’atteindre des énergies aussi élevées.
mystère à résoudre
Les astronomes espèrent pouvoir résoudre cette énigme avec l’aide d’autres observatoires de rayons cosmiques, comme Pierre Auger en Argentine ou IceCube en Antarctique, et ils comptent même sur la prochaine mise à niveau du Telescope Array pour le rendre quatre fois plus sensible. qu’avant.
Ils espèrent également que le futur télescope à neutrinos au kilomètre carré (SKA), qui sera construit en Australie et en Afrique du Sud, pourra fournir davantage de données sur l’origine de ces particules extrêmes.
« Ce rayon cosmique de très haute énergie constitue une opportunité unique d’étudier la physique des particules au-delà de la portée des accélérateurs de particules terrestres », conclut le professeur Fujii. « C’est aussi l’occasion d’explorer l’univers à des échelles d’énergie et à des distances que nous ne pourrions atteindre autrement. »
Référence
Un rayon cosmique extrêmement énergétique observé par un réseau de détecteurs de surface. Collaboration avec des réseaux de télescopes. Science, 24 novembre 2023;382(6673):903-907. DOi:10.1126/science.abo5095