Le mystère de l’origine des rayons cosmiques enfin résolu

Le mystère de l’origine des rayons cosmiques enfin résolu

Le mystère de l’origine des rayons cosmiques enfin résolu 1172 632 Sébastien BAGES

L’énergie des protons qui ne cessent d’entrer dans l’atmosphère terrestre à une vitesse proche de la lumière proviendrait d’énormes explosions d’étoiles. Du moins, c’est ce que les physiciens et les astronomes soupçonnaient depuis longtemps, mais les preuves directes de cette théorie ont été difficiles à trouver – jusqu’à maintenant.


Les rayons cosmiques sont des particules chargées qui arrivent sur Terre depuis l’espace. La quasi-totalité d’entre elles sont des protons, et certaines ont été accélérées à des vitesses supérieures à tout ce qu’ont pu accomplir les accélérateurs de particules sur Terre. Bien que nous connaissions les rayons cosmiques depuis 1912, leurs origines sont restées une énigme.

« C’est un mystère centenaire », a expliqué Stefan Funk du Laboratoire SLAC National Accelerator à Menlo Park, en Californie. « Quelle est l’origine de cette énorme énergie ? ».

Les physiciens soupçonnaient que la seule source possible était une violente explosion d’une supernova dans la Voie Lactée. Le matériau soufflé dans le processus progresse si rapidement que cela crée une onde de choc. Quand un proton traverse l’onde de choc, il est éjecté.

Parce que les protons sont chargés, ils peuvent se faire attraper par des champs magnétiques, qui les attirent et les font traverser l’onde de choc plusieurs fois. Vous pouvez vous imaginer une balle de tennis rebondissant sur ​​un filet.

« Finalement, leur énergie devient si grande qu’ils peuvent quitter la région de l’onde de choc », a dit Funk. « Là, vous avez un rayon cosmique tout neuf ».

 

Totalement bousculé

Mais les champs magnétiques peuvent également affecter les rayons cosmiques en les détournant du chemin des détecteurs. Au moment où ils atteignent la Terre, leurs directions sont totalement brouillées, ce qui rend difficile de déterminer leur origine.

Il a fallu trouver une autre approche de ce problème – et la révélation nous a été fournies des rayons gamma. Nous savons que lorsque les protons de haute énergie entrant en collision avec des protons de basse énergie, la collision violente produit indirectement des rayons gamma. Ceux-ci ne sont pas chargés et voyagent ainsi en ligne droite, insensibles aux champs magnétiques.


Funk et ses collègues ont utilisé le Fermi Gamma Ray Space Telescope pour observer les deux restes de supernovæ les plus brillantes de la galaxie. Est-ce que ces rayons gamma émis par ces objets porteraient-ils la signature révélatrice de collisions de protons ?

En vertu de la loi scientifique sur la conservation de l’énergie, les rayons gamma produits au cours des collisions de protons auront un minimum d’énergie d’environ 150 à 200 mégaélectronvolts (MeV) chacun, a prédit Funk. Si beaucoup de protons entrent en collision près de la supernovæ, il devrait y avoir plus de rayons gamma avec cette énergie ou en plus grand nombre en provenance de cette région – et presque aucun avec des énergies plus basses.

« C’est exactement ce que nous voyons », a dit Funk. « Il s’agit d’une caractéristique, caractéristique irréfutable qui nous dit absolument et uniquement que ce que nous voyons sont des rayons gamma de protons accélérés ».

« C’est une affaire rondement menée », a décrit Stefan Westerhoff de l’Université de Wisconsin-Madison, qui n’était pas impliqué dans les travaux. « Ces restes de supernovæ sont les sites de l’accélération des rayons cosmiques, suspectés depuis longtemps, et il y a eu des preuves indirectes de ça ». Le résultat de Fermi « est une mesure très soignée et qui règle à peu près la question ».

Cependant, cette découverte n’explique pas l’origine de tous les rayons cosmiques. Certains sont des muons ou des positrons, au lieu de protons – et une catégorie comporte les rayons cosmiques à ultra-haute énergie qui sont probablement issus d’en-dehors de notre galaxie.

Les travaux ont été publiés dans la revue Science, sous la référence DOI: 10.1126/science.1231160.

 

Animation d’un cataclysme stellaire


Citations de New Scientist
Crédits médias : © New Scientist

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Sébastien BAGES
About the author

Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

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