Un rayon cosmique de très haute énergie provenant du vide interplanétaire a été récemment détecté par les astronomes, à un niveau rarement atteint : 240 exa-électron-volts (soit 240 et 18 zéro), plus d’un million de fois supérieur à celle obtenue par les accélérateurs de particules.
Pour se faire une idée du phénomène, il faut s’intéresser à deux aspects : la composition du rayon cosmique, et son trajet dans l’espace. Les rayons cosmiques contiennent « des particules chargées (protons, noyaux d’hélium, noyaux d’atomes plus lourds etc…) qui proviennent de l’espace, mais aussi d u soleil. Ils circulent dans notre galaxie et même dans l’espace intergalactique.
Certains pénètrent dans le système solaire, et même au niveau de la Terre, comme le rayon cosmique surpuissant détecté en 2021 dans le désert de l’Utah et nommé Amaterasu, du nom de la déesse du soleil dans la mythologie japonaise. Pour détecter ces phénomènes, il faut avoir des « instruments dotés de vastes zones de collecte », C’est le cas dans le désert de l’Utah, avec le télescope Array.
Les compteurs en service en 2021 ont estimé qu’Amaterasu était le deuxième rayon cosmique le plus doté en énergie jamais enregistré, après le célèbre « Oh my god » détecté en 1991.
En plus de l’observatoire américain, il existe un autre détecteur mesurant les rayons cosmiques : l’observatoire Pierre-Auger, en Argentine. Or les analyses des deux observatoires ne concordent pas. Ils ne sont pas d’accord sur la mesure exacte de l’énergie du rayon. Le flux des rayons cosmiques ultra-énergétiques est de l’ordre d’une particule par siècle et par kilomètre carré de détecteur. Le réseau de l’Utah couvre une surface de 700 kilomètres carrés. Il devrait donc détecter environ 700 rayons cosmiques ultraénergétiques par siècle. Or ce n’est pas le cas.
Moins le rayon cosmique est doté en énergie, plus la fréquence de détection s’accélère. « En énergie, il y a 14 ordres de grandeur. Niveau flux, il y en a 30. Les particules de plus basse énergie sont beaucoup plus fréquentes, de l’ordre de plusieurs par secondes et par centimètre carré », selon un expert.
Pour l’heure, Amaterasu pose plus de questions qu’il n’apporte de réponses, notamment sur sa provenance. Les auteurs de la publication scientifique dans Science dont on trouvera ci-dessous l’abstract, ont essayé de remonter à l’origine du rayon. Sans succès.
Ils en ont déduit que le rayon cosmique provient d’une sorte de no man’s land dans l’espace, sans vraiment de galaxie identifiée ou de trous noirs massifs. Une conclusion qui invite à la prudence.
« On ne connaît pas bien la composition d’Amaterasu, elle donne des indications sur le parcours du rayon. Il y a aussi une incertitude sur le calcul de son énergie. Enfin, les particules chargées sont déviées par le champ magnétique de notre galaxie. Mais nous avons une incertitude sur la structure du champ, donc sur la direction d’arrivée ».
D’autres hypothèses sur la provenance des rayons cosmiques sont étudiées par les scientifiques. Avec la matière accrétée par des trous noirs massifs au centre des galaxies, la formation de jets de matière à très grande vitesse pourrait produire des rayons cosmiques. Par ailleurs, des galaxies très actives avec beaucoup d’étoiles qui se forment et qui explosent peuvent émettre des rayons cosmiques de très haute énergie.
Référence
An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array
Science
23 Nov 2023 Vol 382, Issue 6673pp. 903-907
DOI: 10.1126/science.abo5095
Editor’s summary
Cosmic rays are charged particles from space. At low energies, they mostly originate from the Sun, whereas at high energies, they are expected to be emitted by nearby active galaxies. The Telescope Array Collaboration now reports the detection of a cosmic ray event with an energy of about 240 exa–electron volts, more than a million times higher than that achieved by artificial particle accelerators. Such high-energy particles should experience only small deflections by foreground magnetic fields, but tracing back the arrival direction shows no obvious source galaxy. The authors suggest that the foreground magnetic fields might be stronger than expected, or there could be unknown particle physics at high energies. —Keith T. Smith
Abstract
Cosmic rays are energetic charged particles from extraterrestrial sources, with the highest-energy events thought to come from extragalactic sources. Their arrival is infrequent, so detection requires instruments with large collecting areas. In this work, we report the detection of an extremely energetic particle recorded by the surface detector array of the Telescope Array experiment. We calculate the particle’s energy as 244±29 stat. −76+51syst. exa–electron volts (~40 joules). Its arrival direction points back to a void in the large-scale structure of the Universe. Possible explanations include a large deflection by the foreground magnetic field, an unidentified source in the loc al extragalactic neighborhood, or an incomplete knowledge of particle physics.
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