En 1991, l’expérience Fly’s Eye de l’Université de l’Utah a détecté le rayon cosmique le plus énergétique jamais observé. Plus tard surnommée la particule Oh-My-God, l’énergie du rayon cosmique a choqué les astrophysiciens. Rien dans notre galaxie n’avait le pouvoir de le produire, et la particule avait plus d’énergie que ce qui était théoriquement possible pour les rayons cosmiques se dirigeant vers la Terre depuis d’autres galaxies. En termes simples, la particule ne devrait pas exister.
Le Telescope Array a depuis observé plus de 30 rayons cosmiques à ultra haute énergie, mais aucun n’approche l’énergie du niveau Oh-My-God. Aucune observation n’a encore révélé leur origine ni comment ils peuvent voyager jusqu’à la Terre.
Le 27 mai 2021, l’expérience Telescope Array a détecté le deuxième rayon cosmique d’énergie extrême le plus élevé. À 2,4 x 1 020 eV, l’énergie de cette particule subatomique unique équivaut à laisser tomber une brique sur votre orteil à hauteur de taille. Menée par l’Université de l’Utah (l’U) et l’Université de Tokyo, l’expérience a utilisé le Telescope Array, qui se compose de 507 stations de détection de surface disposées dans une grille carrée couvrant 700 km2 (~270 miles2) à l’extérieur de Delta, dans l’Utah. dans le désert occidental de l’État.
L’événement a déclenché 23 détecteurs dans la région nord-ouest du réseau de télescopes, s’étendant sur 48 km2 (18,5 mi2). Sa direction d’arrivée semblait provenir du Local Void, une zone vide de l’espace bordant la galaxie de la Voie Lactée.
L’animation enregistrée du signal et de l’événement de la particule extrêmement énergétique, surnommée la particule « Amaterasu ». Crédit : Université métropolitaine d’Osaka
« Les particules ont une énergie si élevée qu’elles ne devraient pas être affectées par les champs magnétiques galactiques et extra-galactiques. Vous devriez pouvoir indiquer d’où elles viennent dans le ciel », a déclaré John Matthews, co-porte-parole du Telescope Array à l’Institut. U et co-auteur de l’étude. « Mais dans le cas de la particule Oh-My-God et de cette nouvelle particule, vous tracez sa trajectoire jusqu’à sa source et il n’y a rien d’assez d’énergie pour l’avoir produite. C’est le mystère de tout ça : qu’est-ce qui se passe ? »
Dans leur observation publié dans la revue Scienceune collaboration internationale de chercheurs décrit le rayon cosmique de très haute énergie, évalue ses caractéristiques et conclut que ces phénomènes rares pourraient découler d’une physique des particules inconnue de la science.
Les chercheurs l’ont baptisée particule Amaterasu, en hommage à la déesse du soleil dans la mythologie japonaise. Les particules Oh-My-God et Amaterasu ont été détectées à l’aide de différentes techniques d’observation, confirmant que bien que rares, ces événements à ultra haute énergie sont réels.
« Ces événements semblent provenir d’endroits complètement différents dans le ciel. Ce n’est pas comme s’il existait une source mystérieuse », a déclaré John Belz, professeur à l’Université et co-auteur de l’étude. « Cela pourrait être dû à des défauts dans la structure de l’espace-temps, à des collisions de cordes cosmiques. Je veux dire, je ne fais que cracher des idées folles que les gens proposent parce qu’il n’y a pas d’explication conventionnelle. »
Accélérateurs de particules naturels
Les rayons cosmiques sont des échos d’événements célestes violents qui ont dépouillé la matière jusqu’à ses structures subatomiques et l’ont projetée à travers l’univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Essentiellement, les rayons cosmiques sont des particules chargées avec une large gamme d’énergies constituées de protons positifs, d’électrons négatifs ou de noyaux atomiques entiers qui voyagent à travers l’espace et tombent presque constamment sur Terre.
Les rayons cosmiques frappent la haute atmosphère terrestre et font exploser le noyau d’oxygène et d’azote gazeux, générant de nombreuses particules secondaires. Ceux-ci parcourent une courte distance dans l’atmosphère et répètent le processus, créant une pluie de milliards de particules secondaires qui se dispersent à la surface. L’empreinte de cette gerbe secondaire est massive et nécessite que les détecteurs couvrent une zone aussi grande que le réseau de télescopes. Les détecteurs de surface utilisent une suite d’instruments qui fournissent aux chercheurs des informations sur chaque rayon cosmique ; le timing du signal montre sa trajectoire et la quantité de particules chargées frappant chaque détecteur révèle l’énergie de la particule primaire.
Parce que les particules ont une charge, leur trajectoire de vol ressemble à une balle dans un flipper alors qu’elles zigzaguent contre les champs électromagnétiques à travers le fond cosmique des micro-ondes. Il est presque impossible de retracer la trajectoire de la plupart des rayons cosmiques, qui se situent entre le bas et le milieu du spectre énergétique. Même les rayons cosmiques à haute énergie sont déformés par le fond micro-onde. Les particules avec l’énergie Oh-My-God et Amaterasu traversent l’espace intergalactique relativement non pliées. Seuls les événements célestes les plus puissants peuvent les produire.
« Les choses que les gens considèrent comme énergétiques, comme la supernova, sont loin d’être assez énergétiques pour cela. Il faut d’énormes quantités d’énergie, des champs magnétiques très élevés pour confiner la particule pendant qu’elle s’accélère », a déclaré Matthews.
Les rayons cosmiques à très haute énergie doivent dépasser 5 x 1019 eV. Cela signifie qu’une seule particule subatomique transporte la même énergie cinétique qu’une balle rapide d’un lanceur de ligue majeure et possède des dizaines de millions de fois plus d’énergie que n’importe quel accélérateur de particules fabriqué par l’homme.
Les astrophysiciens ont calculé cette limite théorique, connue sous le nom de seuil Greisen – Zatsepin – Kuzmin (GZK), comme l’énergie maximale qu’un proton peut contenir en voyageant sur de longues distances avant que l’effet des interactions du rayonnement de fond micro-ondes ne prenne son énergie.
Les sources candidates connues, telles que les noyaux galactiques actifs ou les trous noirs dotés de disques d’accrétion émettant des jets de particules, ont tendance à se trouver à plus de 160 millions d’années-lumière de la Terre. Les 2,4 x 1 020 eV de la nouvelle particule et les 3,2 x 1 020 eV de la particule Oh-My-God dépassent facilement le seuil.
Les chercheurs analysent également la composition des rayons cosmiques pour trouver des indices sur leurs origines. Une particule plus lourde, comme les noyaux de fer, est plus lourde, a plus de charge et est plus susceptible de se plier dans un champ magnétique qu’une particule plus légère constituée de protons provenant d’un atome d’hydrogène. La nouvelle particule est probablement un proton. La physique des particules dicte qu’un rayon cosmique dont l’énergie dépasse le seuil GZK est trop puissant pour que le fond micro-onde déforme sa trajectoire, mais le fait de retracer sa trajectoire pointe vers l’espace vide.
« Peut-être que les champs magnétiques sont plus forts que nous le pensions, mais cela est en désaccord avec d’autres observations qui montrent qu’ils ne sont pas assez forts pour produire une courbure significative à ces énergies de 1 020 électrons-volts », a déclaré Belz. « C’est un vrai mystère. »
Élargir l’empreinte
Le Telescope Array est idéalement positionné pour détecter les rayons cosmiques à ultra haute énergie. Il se situe à environ 1 200 m (4 000 pieds), le point idéal d’élévation qui permet le développement maximal des particules secondaires, mais avant qu’elles ne commencent à se désintégrer. Son emplacement dans le désert occidental de l’Utah offre des conditions atmosphériques idéales de deux manières : l’air sec est crucial car l’humidité absorbe la lumière ultraviolette nécessaire à la détection ; et le ciel sombre de la région est essentiel, car la pollution lumineuse créera trop de bruit et obscurcira les rayons cosmiques.
Les astrophysiciens sont encore déconcertés par ces phénomènes mystérieux. Le Telescope Array est au milieu d’une expansion qui, espèrent-ils, aidera à résoudre l’affaire. Une fois terminés, 500 nouveaux détecteurs à scintillateurs élargiront le réseau de télescopes et échantillonneront les gerbes de particules induites par les rayons cosmiques sur 2 900 km2 (1 100 mi2), une zone presque aussi grande que le Rhode Island. Nous espérons que cette plus grande empreinte permettra de capturer davantage d’événements qui feront la lumière sur ce qui se passe.
Plus d’information:
Un rayon cosmique extrêmement énergétique observé par un réseau de détecteurs de surface, Science (2023). DOI : 10.1126/science.abo5095. www.science.org/doi/10.1126/science.abo5095