Un mystérieux rayon cosmique à ultra haute énergie intrigue les astronomes – Physics World

Un mystérieux rayon cosmique à ultra haute énergie intrigue les astronomes – Physics World

Horodatage: 27 novembre 2023, 11 h 12

Détection des rayons cosmiques
Déesse du Soleil : illustration de la pluie de particules créée par Amaterasu lors de son entrée dans l'atmosphère au-dessus du Telescope Array dans l'Utah. (Avec l'aimable autorisation : Université métropolitaine d'Osaka/L-INSIGHT, Université de Kyoto/Ryuunosuke Takeshige)

Une particule de rayon cosmique ayant une énergie environ 36 millions de fois supérieure à celle des particules accélérées par le Grand collisionneur de hadrons du CERN a été détectée. À 244 EeV, c’est l’une des particules les plus énergétiques jamais observées et a été repérée en 2021 par le Telescope Array dans l’Utah. Même si le rayon cosmique à ultra haute énergie (UHECR) a probablement été créé par un violent processus astrophysique, les chercheurs n’ont pas pu retracer ses origines.

Les chercheurs ont surnommé la particule Amaterasu, qui est la déesse du Soleil dans la mythologie japonaise. Le record d'énergie actuel pour un UHECR est de 320 EeV, détenu par la particule « Oh-My-God », qui a été détectée en 1991 dans l'Utah par un prédécesseur du Telescope Array.

Les UHECR sont des particules subatomiques telles que les protons qui ont des énergies supérieures à 1 EeV (1018 eV). S’ils semblent provenir de l’extérieur de la Voie lactée, leurs origines sont encore mal connues en raison de la rareté de leur observation sur Terre.

Coupure cosmique

En recherchant les origines des UHECR, les astronomes bénéficient d'un phénomène appelé seuil Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK). Cela se produit parce que les UHECR dont les énergies sont supérieures à environ 60 EeV interagissent avec le fond diffus cosmologique lorsqu’ils voyagent dans l’espace – perdant de l’énergie au fur et à mesure. Cela signifie que les particules à ces énergies plus élevées ne peuvent pas avoir parcouru plus de 300 millions d’années-lumière avant d’atteindre la Terre.

Malgré cette coupure, le équipe internationale qui a détecté Amaterasu ne connaissent pas l'origine de la particule, selon Toshihiro Fujii de l'Université métropolitaine d'Osaka au Japon – qui a été le premier à remarquer des preuves de l'UHECR dans les données du Telescope Array.

"Nous avons découvert ce nouveau mystère", a-t-il déclaré, soulignant que la particule n'est en corrélation avec aucun objet astrophysique connu. Écrire dans le journal Sciences, l'équipe suggère plusieurs origines possibles pour Amaterasu.

Ténèbres et lumière

En regardant à l'intérieur du seuil GZK et en supposant que la particule a été déviée par le champ magnétique de la Voie lactée, une origine possible est la galaxie NGC 6946. Elle se trouve à environ 25 millions d'années-lumière et est connue pour sa prodigieuse formation d'étoiles et ses nombreuses supernovae. Cependant, les astronomes n’ont observé ni rayons gamma ni rayons X provenant de la galaxie. L'observation de ce rayonnement suggérerait la présence d'un objet astrophysique capable d'accélérer les UHECR. Amaterasu pourrait également remonter au Local Void, une région voisine avec une densité de galaxies inhabituellement faible. Mais encore une fois, il n’y a aucun objet qui puisse être identifié comme source.

Selon l'équipe, une autre possibilité est que notre compréhension incomplète de la physique des particules au-delà du modèle standard pourrait signifier qu'Amaterasu a voyagé plus loin que ne le permet le seuil GZK. Si tel est le cas, il se pourrait que l'origine de l'UHECR soit si éloignée que nous ne puissions pas détecter ses émissions électromagnétiques.

Selon Fujii, la source la plus exotique possible d’Amaterasu est un « accélérateur sombre » – un objet hypothétique qui émet des UHECR mais aucun autre rayonnement.

Malgré la découverte et les spéculations, Rafael Alves Batista, astrophysicien de l'Université autonome de Madrid, a déclaré Monde de la physique que l’observation ne révèle « rien de nouveau » à propos des UHECR.

« Je suis un conservateur dans le sens où je ne me lancerais dans aucune explication au-delà du modèle standard », dit-il. « Nous disposons d’objets astrophysiques qui peuvent effectivement générer ces rayons cosmiques de haute énergie. Nous ne savons tout simplement pas comment cela se produit, ni où se trouvent ces objets, ni quels objets font cela.

Il souligne également que les astronomes ont une très mauvaise compréhension des champs magnétiques en dehors de la Voie lactée, ce qui rend très difficile le retour en arrière.

Incertitude totale

« Dans notre galaxie, nous ne connaissons pas vraiment [le champ magnétique galactique] mais au moins nous savons qu'il se situe dans des limites spécifiques. Mais pour les champs magnétiques extra-galactiques, c'est complètement incertain », a déclaré Batista.

Fujii et Batista conviennent que davantage d’observations de ces événements rares sont nécessaires avant de pouvoir commencer à comprendre les origines des UHECR. Des améliorations sont également nécessaires dans notre compréhension des champs magnétiques extragalactiques.

Certaines de ces observations seront sûrement faites par le Telescope Array. Il s’agit du plus grand détecteur de rayons cosmiques de l’hémisphère nord et est actuellement en cours d’extension pour atteindre une superficie quatre fois supérieure à sa superficie actuelle.

Aujourd'hui, des particules comme Amaterasu sont détectées environ une fois tous les 15 ans, mais Fujii affirme que les améliorations apportées au Telescope Array pourraient réduire ce chiffre à une fois tous les quatre ans.

La recherche est décrite dans Sciences.

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