vendredi 22 septembre 2017

Preuve de l’origine extragalactique des rayons cosmiques les plus énergétiques


La collaboration Pierre Auger vient de publier la preuve que les rayons cosmiques les plus énergétiques qu’ils détectent (jusque 8 1018 électronvolts (eV) ! ) proviennent de galaxies lointaines. Plus aucun doute n’est permis maintenant qu’une nette anisotropie a été observée dans la direction d’arrivée de ces particules ultra-énergétiques.



Les rayons cosmiques galactiques sont des noyaux d’atomes, du plus léger aux plus lourds, qui sont accélérés jusqu’à des énergies très élevées par des processus astrophysiques. Etant électriquement chargés, ces noyaux d’atomes voient leur trajectoire défléchie par les champs magnétiques qu’ils rencontrent durant leur parcours. Jusqu’à aujourd’hui, la quasi-totalité des rayons cosmiques détectés par de multiples expériences trouvent des distributions très isotropes (toutes les directions équiprobables), dû au fait que les champs magnétiques présents  à l’intérieur de notre galaxie ont pour effet de diffuser les rayons cosmiques dans toutes les directions, et l’effet est d’autant plus prononcé que l’énergie est faible et le numéro atomique élevé. Il est donc très difficile, pour ne pas dire impossible, de déterminer une direction pour la source de ces rayons cosmiques. Quelques indices d’anisotropie avaient été trouvés dans le passé mais ne s’avéraient pas très robustes. Il faut également se rappeler que la distribution des rayons cosmiques que nous détectons, en fonction de leur énergie, est très abrupte : plus leur énergie est élevée, moins on en trouve. Par exemple, au-dessus de 1019 eV, le flux arrivant sur Terre est de l’ordre de 1 particule/km²/an seulement… d’où l’intérêt de disposer de détecteurs les plus vastes possibles et d’avoir un peu de temps devant soi.


L’expérience Pierre Auger, du nom de physicien français pionnier du domaine, est constituée de 1600 cuves de 10 m² (12 tonnes d’eau), instrumentées et réparties sur 3000 kilomètres carrés dans la pampa argentine, qui détectent les particules secondaires crées dans l’atmosphère par des rayons cosmiques ultra-énergétiques qui impactent la haute atmosphère. C’est l’effet Cherenkov qui est utilisé dans ces multiples détecteurs. Le réseau est augmenté d’une pluralité de petits télescopes plus classiques qui détectent la très faible lumière de fluorescence qui est produite lorsque des particules chargées excitent les molécules d’azote atmosphérique, ces derniers ne fonctionnent que la nuit. La détection simultanée par le réseau de détecteurs de particules secondaires (muons, électrons, positrons…) permet aux chercheurs de reconstruire la gerbe de particules qui s’est produite et par la suite les caractéristiques du noyau atomique ultra-énergétique qui en a été à l’origine. Avec une énergie incidente de 1019 eV (10 EeV), c’est-à-dire environ 1 Joule, la gerbe produite peut contenir 10 milliards de particules qui vont s’étaler sur une surface de 20 km².
Le détecteur Pierre Auger peut ainsi « cartographier » le ciel concernant les rayons cosmiques, en les triant selon leur énergie. Avec sa très bonne statistique sur les événements d’énergie de l’ordre du TeV (1012 eV) et de PeV (1015 eV), la répartition à grande échelle de l’intensité du flux de rayons cosmiques déterminée par Auger montre une forme dipolaire, avec un point minimum et un point maximum, dont la variation de quelques pourcents est très significative statistiquement. Ce que les chercheurs de Pierre Auger montrent dans leur étude que publie Science aujourd’hui, c’est qu’à l’énergie du niveau du TeV, la direction de l’asymétrie observée coïncide avec la direction locale du champ magnétique de notre Galaxie, comme ce qui est attendu si on considère que les rayons cosmiques suivent les lignes de champs. Mais en revanche, aux énergies plus élevées, au niveau du péta-électronvolt et au-delà, il existe toujours une distribution dipolaire, mais en revanche, sa direction est différente de celle observée à plus basse énergie. Cette observation cruciale indique clairement que les rayons cosmiques les plus énergétiques ont une origine à l’extérieur de notre Galaxie.
Pour parvenir à ces conclusions, les chercheurs de la vaste collaboration internationale Pierre Auger (l’article est co-signé par plus de 450 chercheurs et chercheuses !), collaboration à laquelle participent quatre laboratoires français du CNRS/IN2P3 (LPNHE, LPSC, IPNO et SUBATECH), ont exploité environ 30 000 événements d’énergie supérieure à 8 EeV, collectés patiemment durant plusieurs années.

Les physiciens des astroparticules concluent que l’anisotropie observée dans la direction d’origine des rayons cosmiques les plus énergétiques pourrait être corrélée avec la densité de population des galaxies proches. Si ce lien se confirme, selon les chercheurs, cela impliquerait qu’une fraction importante des sources de rayons cosmiques d’énergie supérieure à 8 EeV doive se situer dans un rayon d’environ 100 Mpc (330 millions d’années-lumière).

Source

Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV
The Pierre Auger Collaboration
Science  Vol. 357, Issue 6357, pp. 1266-1270 (22 Sep 2017)


Illustrations

1) La distribution du flux de rayons cosmiques d’énergie supérieure à 8 EeV déterminée par Pierre Auger (Collaboration Pierre Auger), en coordonnées galactiques. Le centre galactique se trouve au milieu de la carte.

2) Principe de détection de l'Observatoire Pierre Auger (CNRS/CEA)