Une équipe de recherche internationale a développé un programme informatique capable de simuler le transport des rayons cosmiques dans l’espace. Les chercheurs espèrent que cela les aidera à résoudre le mystère des sources de rayons cosmiques.
Jusqu’à présent, nous ne savons pas quels objets célestes émettent le rayonnement à haute énergie qui bombarde la Terre depuis l’espace. Des modèles théoriques sont nécessaires pour expliquer les données expérimentales ; la nouvelle simulation informatique peut les fournir. Une équipe de chercheurs de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) décrit le logiciel dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules.
Comme un ciel uniformément éclairé pendant la journée
Depuis leur découverte il y a 100 ans, les chercheurs tentent de déchiffrer d’où viennent les rayons cosmiques. Le problème est que, vus de la Terre, ils ressemblent au ciel pendant la journée à l’œil nu, c’est-à-dire qu’ils sont également éclairés presque partout où nous regardons.
En effet, la lumière du soleil est dispersée dans l’atmosphère terrestre et se propage uniformément dans tout le ciel. Les rayons cosmiques sont également diffusés sur leur chemin vers la Terre, par le biais d’interactions avec les champs magnétiques cosmiques. Tout ce que nous pouvons voir de la Terre est une image uniformément éclairée ; l’origine du rayonnement reste cachée.
Trajectoires de particules simulées de la production à la détection
« Notre programme CRPropa nous permet de tracer les trajectoires des particules depuis leur formation jusqu’à leur arrivée sur Terre, et ce pour toutes les énergies que nous pouvons observer depuis la Terre », explique Julien Dörner, Ph.D. étudiant au RUB. « Nous pouvons également pleinement expliquer l’interaction des particules avec la matière et les champs de photons dans l’univers. »
Le programme peut simuler non seulement la propagation des rayons cosmiques, mais également les signatures des neutrinos et des rayons gamma qui sont produits dans les interactions des rayons cosmiques. « Contrairement aux rayons cosmiques, ces particules messagères peuvent être observées directement depuis leurs sources, car elles arrivent sur Terre en ligne droite », explique le Dr Patrick Reichherzer, chercheur postdoctoral au RUB. « Nous pouvons également utiliser le logiciel pour prédire de telles signatures à partir de neutrinos et de rayons gamma de galaxies lointaines telles que des explosions d’étoiles ou des galaxies actives. »
Le programme de simulation présenté est actuellement le logiciel le plus complet et ouvre de nouvelles fenêtres sur l’univers. « Nous pouvons explorer de nouvelles plages d’énergie dans la simulation qui ne pouvaient pas être entièrement capturées avec autant de détails avec les programmes disponibles à ce jour », déclare le professeur Karl-Heinz Kampert de l’Université de Wuppertal. « Plus important encore, nous pouvons développer un modèle théorique décrivant la transition des rayons cosmiques de notre propre galaxie vers une fraction provenant de galaxies lointaines et la comparer aux observations. »
Calculs théoriques indispensables pour interpréter les données expérimentales
Le programme de simulation a été développé grâce à une collaboration internationale de 17 chercheurs d’Allemagne, d’Espagne, des Pays-Bas, d’Italie, de Croatie, d’Angleterre et d’Autriche. Avec huit chercheurs, le RUB est chef de file du projet. Le projet a été mené dans le cadre du Collaborative Research Center (CRC) 1491 The Interplay of Cosmic Matter, financé par la Fondation allemande pour la recherche.
La porte-parole du CRC, la professeure Julia Tjus du RUB, a déclaré que « la publication est une étape majeure vers une description quantitative du transport et de l’interaction des rayons cosmiques en trois dimensions. CRPropa contribuera de manière significative à comprendre d’où viennent les rayons cosmiques. Après tout, nous avons besoin des calculs théoriques pour nous aider à interpréter la variété des données que nous recevons des divers instruments surveillant le cosmos. »
Rafael Alves Batista et al, CRPropa 3.2 – un cadre avancé pour la propagation de particules à haute énergie dans les espaces extragalactiques et galactiques, Journal de cosmologie et de physique des astroparticules (2022). DOI : 10.1088/1475-7516/2022/09/035