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Nous avons peut-être trouvé l’accélérateur de particules le plus puissant de la galaxie

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace. Il a contribué cet article à 45secondes.fr Voix d’experts: opinions et idées.

Les astronomes se demandent depuis longtemps où la haute énergie rayons cosmiques viennent de l’intérieur de notre galaxie.

Et maintenant, de nouvelles observations avec le Expérience Tchérenkov sur l’eau à haute altitude (HAWC) révèle un candidat improbable: un nuage moléculaire géant par ailleurs banal.

La galaxie de la Voie lactée: faits sur notre maison galactique

Prendre le genou

Les rayons cosmiques ne sont pas du tout des rayons mais plutôt de minuscules particules traversant l’univers à presque la vitesse de la lumière. Ils peuvent être constitués d’électrons, de protons ou même d’ions d’éléments plus lourds. Ils sont créés dans toutes sortes de processus à haute énergie dans tout le cosmos, à partir de explosions de supernova aux fusions d’étoiles aux derniers instants insensés où le gaz est aspiré par un trou noir.

Les rayons cosmiques viennent dans toutes sortes d’énergies, et en général rayons cosmiques d’énergie supérieure sont plus rares que leurs parents à faible énergie. Cette relation change très légèrement à une énergie particulière – 10 ^ 15 électron-volts – que l’on appelle le «genou». L’électron-volt, ou eV, est simplement la façon dont les physiciens des particules aiment mesurer les niveaux d’énergie. À titre de comparaison, le collisionneur de particules le plus puissant sur Terre, le Grand collisionneur de hadrons, peut atteindre 13 X 10 ^ 12 eV, ce qui est souvent désigné par 13 téra électron-volts, ou 13 TeV.

Au-dessus d’une énergie de 10 ^ 15 eV, les rayons cosmiques sont beaucoup plus rares que vous ne le pensez. Cela a conduit les astronomes à croire que tous les rayons cosmiques à ce niveau d’énergie et plus proviennent de l’extérieur de la galaxie, tandis que les processus au sein de la Voie lactée sont capables de produire des rayons cosmiques jusqu’à 10 ^ 15 eV inclus.

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Pour ceux d’entre vous qui gardent le score à la maison, tout ce qui crée ces rayons cosmiques serait dans la gamme « peta » des préfixes grecs, et donc plus de 1000 fois plus puissants que nos meilleurs accélérateurs de particules – des « PeVatrons » naturels errant dans la galaxie.

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Un détective hawkeyed

La mission est simple: trouver la source des rayons cosmiques à l’échelle PeV dans la Voie lactée. Mais malgré leurs énergies, il est difficile de déterminer leurs origines. C’est parce que les rayons cosmiques sont faits de particules chargées et de particules chargées voyageant à travers espace interstellaire répondre au champ magnétique de notre galaxie. Ainsi, lorsque vous voyez un rayon cosmique de haute énergie venant d’une direction particulière dans le ciel, vous n’avez en fait aucune idée d’où il vient vraiment – son chemin s’est plié et courbé au cours de son voyage vers la Terre.

Mais au lieu de rechercher directement les rayons cosmiques, nous pouvons rechercher certains de leurs proches. Lorsque les rayons cosmiques heurtent accidentellement un nuage de gaz interstellaire, ils peuvent émettre des rayons gamma, une forme de rayonnement à haute énergie. Ces rayons gamma traversent la galaxie en ligne droite, ce qui nous permet de localiser directement leurs origines.

Donc, si nous voyons une source de forte émission de rayons gamma, nous pouvons rechercher des sources proches de rayons cosmiques PeV.

C’était la méthode employée par une équipe de chercheurs utilisant HAWC, qui est situé sur le volcan Sierra Negra du centre-sud du Mexique. HAWC « regarde » le ciel avec une série de réservoirs remplis d’eau ultra-pure. Lorsque des particules de haute énergie ou des radiations pénètrent dans les réservoirs, elles émettent un flash de lumière bleue, permettant aux astronomes de retracer la source dans le ciel.

Détaillé dans un article récemment paru dans le journal de pré-impression arXiv, les astronomes ont trouvé une source de rayons gamma dépassant 200 TeV, qui ne pouvait être créée que par des rayons cosmiques encore plus puissants – les types de rayons cosmiques qui atteignent l’échelle PeV. La source, appelée HAWC J1825-134, se trouve à peu près dans la direction du centre galactique. HAWC J1825-134 nous apparaît comme une tache brillante de rayons gamma, éclairée par une source inconnue de rayons cosmiques – peut-être la source connue de rayons cosmiques la plus puissante de la Voie lactée.

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Un poids lourd improbable

Quelques-unes des sources suspectes habituelles de rayons cosmiques de haute énergie se trouvent à quelques milliers d’années-lumière de HAWC J1825-134, mais aucune d’entre elles ne peut facilement expliquer le signal.

Par exemple, le centre galactique lui-même est un générateur connu d’action de rayons cosmiques intenses, mais il est bien trop éloigné de HAWC J1825-134, donc cela n’a aucune incidence sur cette mesure.

Il y a quelques restes de supernova, et les supernovae sont sûrement puissantes. Mais toutes les supernovae de la région de HAWC J1825-134 ont explosé il y a des siècles – bien trop longtemps dans le passé pour créer ces rayons cosmiques de haute énergie maintenant.

Les pulsars – les noyaux résiduels denses à rotation rapide d’étoiles massives – produisent également de grandes quantités de rayons cosmiques. Mais ceux-ci aussi sont trop éloignés de la source des rayons gamma – les énergies des électrons et des protons provenant du pulsar ne sont tout simplement pas assez percutantes pour parcourir des milliers d’années-lumière jusqu’à l’emplacement de l’émission de rayons gamma.

Étonnamment, la source de ces rayons cosmiques record semble n’être autre qu’un nuage moléculaire géant. Ces nuages ​​sont des brutes géantes et lourdes, remplies de poussière et de gaz, qui parcourent la galaxie. Ils se contractent parfois sur eux-mêmes et se transforment en étoiles, mais sinon, ils peuvent rester froids et lâches pendant des milliards d’années. Ne causant aucune menace sérieuse à personne – et à peine perceptible à moins que vous n’ayez de bons télescopes infrarouges – ils sont le dernier endroit où vous vous attendriez à trouver des énergies aussi incroyablement élevées.

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Situé dans le complexe nuageux se trouve un amas d’étoiles nouveau-nés, mais même les bébés étoiles les plus grincheux et les plus bruyants ne sont pas considérés comme suffisamment puissants pour lancer des rayons cosmiques comme celui-ci. Les chercheurs eux-mêmes admettent qu’ils ne savent pas comment ce nuage le fait, mais d’une manière ou d’une autre, lorsque personne n’y prêtait attention, il a généré certaines des particules les plus puissantes de toute la galaxie.

Lire la suite: « Preuve de photons de 200 TeV de HAWC J1825-134« 

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