Les rayons cosmiques : une origine extragalactique !

Par Gaëlle Degrez / Publié le 26 septembre 2017

C'est un débat vieux de 50 ans qui est désormais tranché : les rayons cosmiques les plus énergétiques ne proviennent pas de la Voie lactée, mais ont été propulsés depuis des galaxies situées à des dizaines, voire des centaines de millions d'années-lumière. Cette découverte vient d’être annoncée par une collaboration internationale, dont font partie des chercheurs de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud).

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques qui traversent notre Univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Ceux de basse énergie proviennent du Soleil ou de notre galaxie, mais l'origine des particules les plus énergétiques restait débattue depuis leur découverte il y a un demi-siècle : sont-elles issues de la Voie lactée ou d'objets extragalactiques éloignés ?

La question vient d'être tranchée grâce à l'étude de 30 000 particules cosmiques d'une énergie un million de fois supérieure à celle des protons accélérés au LHC (1).  Elles ont été détectées entre 2004 et 2016 avec le plus grand observatoire de rayons cosmiques jamais construit, l'observatoire Pierre Auger, en Argentine.

L'étude des directions d'arrivée de ces particules montre qu'à ces énergies, le flux de rayons cosmiques en provenance d'une zone du ciel pointant à 120 degrés du centre galactique est environ 6 % plus élevé que si le flux était parfaitement uniforme. Cette direction ne peut pas être associée à des sources potentielles dans le plan de la galaxie ou en son centre.

Cette découverte indique clairement une origine extragalactique pour ces particules cosmiques, le motif observé dans le ciel ne pouvant être le fruit du hasard qu'avec une chance sur cinq millions. Cependant, cette étude ne permet pas encore de localiser précisément les sources. En effet, la région la plus brillante en rayons cosmiques s'étend sur une vaste portion du ciel, où le nombre de galaxies est relativement élevé. De plus, le champ magnétique de la Voie lactée dévie les trajectoires de ces particules chargées et brouille les pistes.
Des études se déroulent actuellement sur une collection bien plus importante de rayons cosmiques ultra-énergétiques, et pourraient apporter des éléments de réponse. En parallèle, un programme d'amélioration de l'observatoire Pierre Auger est en cours et devrait permettre d'identifier plus clairement ces sources.


© Céline ANAYA-GAUTIER/CNRS Photothèque

L’Observatoire Pierre Augé
400 scientifiques de 18 pays participent à la collaboration Pierre Auger, qui développe et exploite l'observatoire du même nom. Les laboratoires français qui y contribuent sont :    
- l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud) ;
- le Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (CNRS/UPMC/Université Paris Diderot) ;
- le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (CNRS/Université Grenoble Alpes/ Grenoble INP).

 

L'un des 1 600 détecteurs de l'observatoire Pierre Auger
Le flux des rayons cosmiques très énergétiques (au-delà de 2 joules) est d'environ 1 par kilomètre carré et par an. Quand ces rayons entrent en collision avec les molécules de la haute atmosphère, ils créent une cascade de plus de 10 milliards de particules secondaires, appelée gerbe atmosphérique, qui peut s'étendre sur plus de 40 kilomètres carrés quand elle arrive au sol. L'observatoire Pierre Auger détecte certaines de ces particules secondaires (électrons, photons et muons) grâce à un réseau de 1 600 détecteurs – des cuves d'eau pure espacées d'1,5 kilomètre, qui s'étendent sur une surface de 3 000 kilomètres carrés dans la pampa argentine (soit un peu plus que la taille du Luxembourg). En comparant les temps d'arrivée des particules dans différents détecteurs, on peut déterminer la direction d'où provient le rayon cosmique qui a produit la gerbe atmosphérique.
L'observatoire Pierre Auger, en Argentine, est le plus grand détecteur de rayons cosmiques au monde. Il porte le nom du physicien français qui, le premier, en 1938, a observé les gerbes atmosphériques.

Référence
Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV, The Pierre Auger Collaboration. Science, 22 septembre 2017. DOI : 10.1126/science.aan4338

Note

1. Le Grand collisionneur de hadrons du Cern. Cela correspond à une énergie moyenne de 2 joules.

Dernière modification le 26 septembre 2017