12/07/2014

Des Rayons Cosmiques Ultra-Énergétiques Concentrés dans une Petite Zone du Ciel

Les rayons cosmiques sont ces particules chargées, majoritairement des protons, mais pas uniquement, ils peuvent aussi être des petits noyaux d'atomes. Leur énergie peut être très variable, assez faible pour les nombreux protons venant du Soleil et beaucoup plus énergétiques pour ceux d'entre eux qui proviennent de l'extérieur de notre galaxie. Quand on parle d'énergie pour les rayons cosmiques, on parle d'énergie cinétique.



Alors que l'énergie de masse d'un proton (énergie au repos) vaut un peut moins de 1 GeV (1 milliard d'électron-volts), l'énergie totale des rayons cosmiques peut atteindre, pour les plus énergétiques d'entre eux jusqu'à 100 milliards de GeV. Ces rayons cosmiques hors norme sont appelés des UHECR (Ultra High Energy Cosmic Rays). Une équipe d'astrophysiciens de l'Université de l'Utah vient de mettre en évidence un phénomène étonnant : alors qu'on s'attendait logiquement à ce que tous les UHECR détectés soient répartis uniformément sur la totalité du ciel, Gordon Thomson et son équipe montrent qu'il n'en est rien ! Il existe une petite zone du ciel de l'hémisphère nord (6% de la surface du ciel) qui concentre à elle seule plus de 20% des 72 particules ultra-énergétiques détectées entre 2008 et 2013 par le Telescope Array qu'ils ont utilisé pour leur étude. Ce Telescope Array est un réseau de 500 détecteurs distribués sur une zone de 1,2 kilomètres carrés dans le désert de l'Utah.
Répartition spatiale des rayons cosmiques ultraénergétiques
(K. Kawata, University of Tokyo Institute for Cosmic Ray Research)



Or on ne sait toujours pas quelles sont les sources à l'origine de tels rayons cosmiques ultra énergétiques, ce dont on est sûr en revanche, c'est qu'ils ont la capacité de filer tout droit, leur énergie cinétique induisant une très faible déviation de leur trajectoire par des champs magnétiques galactiques. Ils peuvent venir de galaxies très très lointaines (plusieurs millions ou milliards d'années-lumière) et leur direction d'observation dans le ciel doit nous indiquer la  direction des sources qui sont à leur origine.
Parmi ces sources potentielles évoquées par les chercheurs figurent les objets les plus violents de l'univers on s'en doute :  noyaux de galaxies actives, émetteurs gamma de tout poil, supernovae, trous noirs, ondes de choc de galaxies en collision, et même des sources exotiques hypothétiques comme des désintégrations de cordes cosmiques ou de particules massives provenant de l'Univers primordial...

Mais il se pourrait bien que cette observation permette au final d'en savoir plus sur la structure de l'univers à grande échelle. Comme les rayons cosmiques sont censés provenir des zones denses de matière comme les superamas de galaxies, il se pourrait que la zone du ciel de 40° de diamètre qui a été repérée soit exceptionnellement peuplée de matière.

Une chose est sûre en tout cas : les astrophysiciens savent maintenant dans quelle zone du ciel il faudra regarder pour attraper des rayons cosmiques ultra énergétiques : dans un petite zone de l'hémisphère nord, et plus précisément dans la constellation de la Grande Ourse...


Référence : 
Indications of Intermediate-Scale Anisotropy of Cosmic Rays with Energy Greater Than 57 EeV in the Northern Sky Measured with the Surface Detector of the Telescope Array Experiment
The Telescope Array Collaboration
arXiv:1404.5890 26 Jun 2014, à paraître dans Astrophysical Journal Letters