mardi 23 janvier 2018

Une origine commune pour rayons cosmiques, rayons gamma et neutrinos ultra-énergétiques


L'origine des rayons cosmiques les plus énergétiques, ainsi que des rayons gamma et des neutrinos ultra-énergétiques reste aujourd'hui mal cernée. Mais une astrophysicienne chinoise et son collègue japonais, tous deux en postdoc aux Etats-Unis, viennent de trouver un modèle global qui relie ces trois types de particules extrêmes avec les trous noirs supermassifs de noyaux actifs de galaxies situés au centre d'amas denses.




Ce qu'ont réussi à faire Ke Fang (Université du Maryland) et Kohta Murase (Université de Pennsylvanie), c'est de produire un modèle qui arrive à prendre en compte correctement tous les aspects de la propagation des particules depuis le site d'accélération (des galaxies actives) jusqu'à la Terre, en considérant simultanément les rayons cosmiques (des noyaux d'atomes), les photons gamma et les neutrinos.
Rappelons que les noyaux actifs de galaxie sont caractérisés par la présence d'un trou noir supermassif entouré d'un disque d'accrétion. Ces trous noirs peuvent générer des jets de particules où une accélération extrême peut apparaître, propulsée par des champs magnétiques démesurés. C'est donc naturellement qu'ils ont été imaginés comme de bons candidats pour être la source des rayons cosmiques de plus de 1020 eV qui ont été détectés sur Terre. Encore faut-il pouvoir prouver ce lien. Les rayons gamma de plusieurs TeV et les neutrinos de l'ordre du PeV, eux, cherchent aussi à être mieux compris. Il est évidemment tentant d'associer les uns avec les autres. 
Les galaxies à noyau actif sont généralement enfouies au sein de denses amas de galaxies, où le milieu diffère fortement du milieu intergalactique classique de par les champs magnétiques qui y règnent. Ces champs magnétiques peuvent y induire des interactions plus importantes des rayons cosmiques énergétiques. La densité importante de gaz peut elle aussi être à l'origine d'une exacerbation des interactions des rayons cosmiques. 

La première étape de la modélisation de Fang et Murase a consisté à reproduire toutes ces interactions qui peuvent apparaître à l'intérieur des amas de galaxie. Ensuite, ils se sont attaqués à la propagation des particules primaires et secondaires à travers le milieu intergalactique entre les amas de galaxies distants et notre Galaxie, jusqu'à la Terre. Les résultats que les chercheurs obtiennent collent tout à fait avec ce qui a pu être observé sur Terre ou en orbite, à la fois pour les rayons cosmiques (par l'Observatoire Pierre Auger notamment), les photons gamma (par Fermi ou H.E.S.S) et pour les neutrinos (par IceCube). Ils retrouvent non seulement la structure des spectres en énergie mesurés mais aussi la composition des flux observés. Dans leur article qui est publié cette semaine dans Nature Physics, Fang et Murase montrent que la plus grande part des rayons gamma et des neutrinos les plus énergétiques doit provenir d'amas de galaxies denses.


Dans leur meilleur scénario, des particules sont accélérées à proximité immédiate d'un trou noir supermassif, sont propulsées le long du jet de plasma du trou noir et finissent par produire un lobe en créant une onde de choc. Si leur énergie est supérieure à 2 1019 eV, ces particules peuvent traverser entièrement le milieu et poursuivre leur chemin en ligne droite. Mais à un peu plus basse énergie, ces noyaux atomiques vont diffuser dans le gaz, soit sur des protons, soit sur des photons de lumière (notamment infra-rouge) et vont produire dans ces interactions des photons gamma et des neutrinos très énergétiques, qui s'échappent à leur tour de l'amas de galaxies.
Mais ça ne s'arrête pas là : d'après Fang et Murase, une fois qu'ils sont sortis de l'amas de galaxies, les rayons cosmiques ultra-énergétiques sont déviés par les champs magnétiques et interagissent à nouveau, avec le lumière environnante cette fois-ci, pour produire de nouveaux neutrinos et de nouveaux photons gamma.

Cette étude présente ainsi une nouvelle approche pour décrire les données astrophysiques de multi-messagers (rayons cosmiques+photons gamma+neutrinos). Il manque cependant encore quelques raffinements qui pourraient offrir des prédictions sur l'isotropie ou l'anisotropie des rayons cosmiques telle qu'elle a été entrevue récemment par les détecteurs de l'observatoire Pierre Auger. Il faudra pour cela construire des modèles magnétohydrodynamiques en 3D de la structure du champ magnétique de l'Univers à grande échelle. Or, ce type de modélisation n'est aujourd'hui accessible que pour l'Univers Local (c'est à dire à une distance maximale de 100 Mpc (environ 325 millions d'années-lumière)...
En attendant, ou parallèlement, le modèle de Ke Fang et Kohta Murase pourra être testé en cherchant des corrélations entre la direction d'arrivée de neutrinos ultra-énergétiques dans les futurs détecteurs IceCube-Gen2 et KM3Net, et la position dans le ciel d'amas de galaxie connus pour abriter des galaxies à noyau actif.

Source

Linking high-energy cosmic particles by black-hole jets embedded in large-scale structures
Ke Fang & Kohta Murase
Nature Physics (22 janvier 2018)


Illustrations

1) Vue d'artiste d'un trou noir supermassif produisant un jet de particules ultra-relativistes (JPL-CALTECH/NASA)

2) Les télescopes de H.E.S.S dans le désert Namibien qui détectent des rayons gamma énergétiques indirectement par la lumière Cherenkov induite dans l'atmosphère par les particules secondaires qu'ils produisent (collaboration H.E.S.S )