L'origine des rayons cosmiques, un mystère qui ne date pas d'hier

L’Observatoire Auger se penche sur un mystère qui ne date pas d’hier, liant les rayons cosmiques de très haute énergie aux violents trous noirs.

MALARGUE, Argentine – Des scientifiques de la Collaboration Pierre Auger ont annoncé aujourd’hui (8 nov.) que les noyaux galactiques actifs sont les candidats les plus probables pour les sources de rayons cosmiques de très haute énergie qui frappent la Terre. Utilisant l’Observatoire Pierre Auger en Argentine, le plus grand observatoire à rayons cosmiques dans le monde, une équipe de scientifiques de 17 pays a découvert que les sources des particules de très haute énergie ne sont pas réparties uniformément dans le ciel. Au contraire, les résultats d’ Auger lient les origines de ces mystérieuses particules aux endroits de galaxies toutes proches qui ont des noyaux actifs en leur centre. Les résultats paraîtront dans le numéro du 9 novembre du journal Science.

Des noyaux Galactiques Actifs (AGN) seraient activés par des trous noirs super massifs qui dévorent de grandes quantités de matière. Ils ont été longtemps considérés comme des sites où pourrait avoir lieu la production de particules à haute énergie. Ils avalent du gaz, de la poussière et autres matières de leur galaxie hôte et rejettent des particules et de l’énergie. Alors que la plupart des galaxies ont des trous noirs en leur centre, seule une fraction de toutes les galaxies ont un AGN. Le mécanisme exact de la façon dont les AGN peuvent accélérer les particules en énergie 100 millions de fois plus élevée que le plus puissant accélérateur de particules sur Terre reste un mystère.

‘’Nous avons fait un grand pas en avant dans la résolution du mystère de la nature et de l’origine des rayons cosmiques de haute énergie, révélée en premier lieu par un physicien français, Pierre Auger, en 1938,’’ a dit le lauréat du Prix Nobel, James Cronin, de l’Université de Chicago, qui a conçu l’Observatoire Pierre Auger avec Alan Watson de l’Université de Leeds. ‘’Nous avons découvert que le ciel dans l’hémisphère sud, tel qu’il a été observé dans les rayons cosmiques à ultra haute énergie, n’est pas uniforme. C’est une découverte fondamentale. L’age de l’astronomie du rayon cosmique est arrivé. Dans les quelques années qui viennent, nos données nous permettront d’identifier la source exacte de ces rayons cosmiques et la façon dont ils accélèrent ces particules.’’

Les rayons cosmiques sont des protons et des noyaux atomiques qui voyagent à travers l’univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Quand ces rayons entrent en collision avec la haute atmosphère de notre planète, ils créent une cascade de particules secondaires, appelée gerbe atmosphérique, qui peut s'étendre sur plus de 40 kilomètres carrés quand elle arrive au sol.

‘’Les rayons cosmiques de très haute énergie peuvent provenir de certains des plus violents processus dans l’univers. Jusqu’à maintenant, nous en savons très peu sur leur source,’’ a dit Dennis Kovar, agissant comme directeur associé du Bureau des Sciences pour la Physique des hautes énergies dans le Département de l’Energie. ‘’Ces résultats représentent une avancée importante pour apprendre l’origine de ces particules.’’

L'Observatoire Pierre Auger détecte les gerbes atmosphériques grâce à un réseau de 1 600 détecteurs de particules, espacés de 1,5 kilomètre, qui s'étendent sur une surface de 3 000 kilomètres carrés. En plus, 24 télescopes observent la lumière fluorescente produite par la gerbe lors de son passage dans l'atmosphère. Cette combinaison de détecteurs permet une étude optimale et très précise de ces rayons cosmiques.

La sphère céleste dans des coordonnées galactiques (projection de Aitoff) montrant les directions d’arrivée des 27 rayons cosmiques de très haute énergie détectés par Auger. Les énergies sont plus élevées que 57x1018eV (57 EeV). Celles-ci sont montrées comme des cercles de 3.1° de rayon. Les positions de 472 AGN à moins de 75 mégaparsecs sont montrées en rouge. Les régions bleues définissent le champ de vue de Auger ; le bleu plus foncé indique une exposition plus importante. La courbe pleine marque la limite du champ de vue, où l’angle du zénith est égal à 60°. L’AGN le plus proche, Centaure A, est marqué en blanc. Deux des 27 rayons cosmiques ont des directions d’arrivée à moins de 3° de cette galaxie. Le plan super galactique est indiqué par la courbe en tirets. Ce plan délimite une région où de grands nombres de galaxies proches, y compris des AGN, sont concentrées.

‘’Des centaines de scientifiques et des dizaines d’agences de financement ont contribué à la construction de l’Observatoire Pierre Auger,’’ a déclaré Joe Dehmer, directeur de la Division de Physique à la Fondation de la Science Nationale. ‘’Maintenant tous ces efforts paient. Nous avons déjà vu les résultats d’Auger sur le spectre et la composition du rayon cosmique, et les nouveaux résultats d’aujourd’hui sont la réalisation la plus spectaculaire jusque là.’’

Alors que l’observatoire a enregistré presque un million de gerbes de rayons cosmiques, seuls les rares rayons cosmiques de très haute énergie peuvent être liés à leurs sources avec une précision suffisante. Les scientifiques d’Auger ont jusqu’ici enregistré 77 rayons cosmiques ayant une énergie dépassant 4x1019 electron volts ou 40 EeV enregistrée par n’importe quel observatoire. Pour ces ultra-hautes énergies, l’incertitude de la direction d’où provient le rayon cosmique n’est seulement que de quelques degrés, permettant aux scientifiques de déterminer l’endroit de la source cosmique de la particule.

‘’Ce résultat ouvre une nouvelle fenêtre sur l’univers proche, et le début de l’astronomie des rayons cosmiques,’’ a annoncé Watson, porte-parole de la Collaboration Pierre Auger. ‘’Alors que nous collectons de plus en plus de données, nous pouvons voir des galaxies individuelles de façon détaillée et complètement nouvelle. Comme nous l’avions anticipé, notre observatoire produit une nouvelle image de l’univers, basée sur les rayons cosmiques plutôt que sur la lumière.’’

L'observatoire a été construit par plus de 370 chercheurs et ingénieurs de 17 pays, pour un montant total d'environ 40 millions d'euros. Il est situé dans la province de Mendoza, en Argentine. Le CNRS est le principal organisme français de financement de l'observatoire. Si l'Américain Jim Cronin (prix Nobel) et l'Anglais Alan Watson sont à l'origine de l'observatoire, Murat Boratav, professeur au Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (CNRS/IN2P3, Universités Paris 6 et 7) en est le pionnier en France et les chercheurs français sont nombreux à participer à la collaboration Auger.

D’après :
http://www.auger.org/news/PRagn/AGN_correlation_more.html
http://www.pureinsight.org/pi/index.php?news=5061