lundi 4 juin 2012

Les Mystères de l'Astronomie (6/8) : D'où viennent les Rayons Cosmiques Ultra-Energétiques ?

La revue Science en fait sa couverture cette semaine : les Mystères de l'Astronomie... Les rédacteurs de la célèbre revue américaine ont sélectionné, sur l'avis de nombreux spécialistes, 8 mystères astrophysiques, qui sont aujourd'hui incompris et qui devraient pouvoir être élucidés par l'observation, à moins qu'ils ne le soient jamais. Ils restent autant de questions très intrigantes... Nous allons passer en revue un à un ces grand mystères d'aujourd'hui.

6/8 : D'où viennent les Rayons Cosmiques Ultra-Energétiques ?

C'était il y a 50 ans. Les physiciens virent une particules qui n'aurait jamais du exister. Un rayon cosmique atteint un détecteur de l'expérience appelée Volcano Ranch, avec une énergie de 1020 eV, soit 100 exa-électronvolts, une énergie si gigantesque pour ne particule qu'aucun phénomène connu ne pouvait lui avoir donner naissance. Près de 30 ans plus tard, un autre du même genre fut détecté dans le détecteur Fly's Eye dans l'Utah, avec une énergie encore plus élevée (300 EeV). La particule, un proton voyageant pratiquement à la vitesse de la lumière, avait l'énergie cinétique d'une balle de tennis lancée à 100 km/h. Les physiciens américains l'appelèrent la particule OMG (oh my god!).
Schéma des interactions de rayons cosmiques
D'où viennent ces trucs ? Le détecteur Fish's Eye a pu donner une direction approximative, mais rien ne put être mis en évidence dans cette partie du ciel.
Les japonais mirent en place un grand détecteur dans les années 1990 nommé AGASA et purent récolter une douzaine de particules d'environ 200 EeV. Les projets se multiplièrent donc par la suite. Ces dernières années, le plus fameux d'entre eux, l'observatoire Pierre Auger situé dans la Pampa argentine a donné des indices sur leur origine, mais toujours pas de source réellement identifiée.
Les astrophysiciens savent que ces rayons cosmiques sont composés pour la plupart de protons (89%) puis de noyaux d'hélium, d'électrons, et d'antimétière. Ils pensent que ceux qui ont énergie inférieure à 1010 eV viennent du soleil, et que ceux ayant une énergie entre 1010 eV et 1018 eV (1 EeV) viennent principalement d'ailleurs dans la galaxie.
Mais concernant les protons ayant des énergie de plusieurs centaines de EeV, il semblent qu'ils viennent de toutes les directions du ciel, et pas principalement du plan galactique, ce qui voudrait dire qu'ils viennent de l'extérieure de notre galaxie.
Plusieurs théories sont élaborées sur l'origine des ces particules hors normes : des points chauds de radiogalaxies énergétiques, de GRB ou encore de jets de trous noirs supermassifs. Mais des cosmologistes ont aussi émis des idées plus innovantes, comme par exemple la désintégration de particules élementaires exotiques créees au moment du bigBang ou bien encore l'effondrement hypothétique de défauts topologiques.
Quelle que soit leur origine, les rayons cosmiques les plus énergétiques viennent probablement de notre voisinage galactique. En effet, lors de leur voyage, ces particules perdent de l'énergie en interagissant avec les photons du fond diffus csomologique (CMB). Des particules qui traverseraient une distance de plus de 160 millions d'années lumières ne pourraient pas avoir une énergie supérieure à 50 EeV, la limite de Greisen-
Zatsepin-Kuzmin (GZK).
Observatoire Pierre Auger (partiel)
Les plus énergétiques rayons cosmiques dépassant cette limite viennent donc des quelques milliers de galaxies qui nous sont les plus proches.
L'observatoire Auger en 2007 avait détecté 27 rayons cosmiques de plus de 57 EeV et parvint à cartographier approximativement leur lieu d'origine, malgré les courbures introduites par les champs magnétiques galactiques, mais à cette énergie, les protons voyagent presque en ligne droite, ce qui aide. Les 27 rayons cosmiques trouvés venaient tous d'une zone éloignée de moins de 3° d'un noyau de galaxie actif (AGN) situé à moins de 250 millions d'années lumières. Mais l'équipe de Auger reste prudente et ne fait pas la corrélation, 3° correspond à une zone bien trop vaste. Aujourd'hui Auger comptabilise 113 rayons cosmiques au dessus de 55 EeV, toujours semblant provenir de zones non éloignées d'un AGN, mais de manière un peu moins évidente qu'attendu.
Alors que des restrictions budgétaires ont supprimé un projet d'observatoire similaire à Auger mais situé dans l'hémisphère Nord, il est tout de même envisagé de poursuivre ces études en orbite grâce à un module devant être placé sur la station orbitale internationale (le Extreme Universe Space Observatory) et qui détectera les interactions de rayons cosmiques dans l'atmosphère terrestre en les regardant par au-dessus. Lancement prévu en 2016.

L'origine des rayons cosmiques ultra énergétiques va probablement rester encore un petit moment un beau mystère et l'un des plus fascinants.