Des astronomes choqués par de mystérieux rayons cosmiques à extrêmement haute énergie : « Que se passe-t-il ?

Juste derrière la particule Oh-My-God, la nouvelle particule Amaterasu approfondit le mystère de l’origine, de la propagation et de la physique des particules de rayons cosmiques rares à ultra haute énergie.

En 1991, l’expérience Fly’s Eye de l’Université de l’Utah a révélé les rayons cosmiques les plus énergétiques jamais observés. Surnommée plus tard la particule Oh My God, l’énergie des rayons cosmiques a choqué les astrophysiciens. Rien dans notre galaxie n’avait la capacité de produire cela, et la particule avait plus d’énergie que ce qui était théoriquement possible pour les rayons cosmiques se dirigeant vers la Terre depuis d’autres galaxies. En termes simples, la particule ne devrait pas être là.

Des énigmes astronomiques

Le réseau de télescopes a depuis détecté plus de 30 rayons cosmiques de haute énergie, même si aucun n’a approché le niveau d’énergie. Aucune observation n’a encore révélé leur origine ni comment ils ont pu voyager jusqu’à la Terre.

Illustration d’artiste de rayons cosmiques hautement énergétiques observés par le réseau de détecteurs de surface du télescope Array, appelés particules Amaterasu. Source : Université métropolitaine d’Osaka/L-Insight, Université de Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

Le 27 mai 2021, l’expérience Telescope Array a détecté le deuxième rayon cosmique le plus énergétique. Taille 2,4×10²⁰Volt, l’énergie de cette particule subatomique unique équivaut à laisser tomber une pierre sur votre orteil depuis la hauteur de la taille. Le réseau de télescopes, dirigé par l’Université de l’Utah (U) et l’Université de Tokyo, se compose de 507 stations de détection de surface disposées selon une grille carrée couvrant 700 km.² (~270 milles²) à l’extérieur de Delta, dans l’Utah, dans le désert occidental de l’État. Cet événement a déclenché 23 détecteurs dans la région nord-ouest du réseau de télescopes, répartis sur une distance de 48 km.² (18,5 milles²). Sa direction d’arrivée semble provenir du vide local, une région vide de l’espace adjacente à Voie Lactée galaxie.

« Les particules ont une très haute énergie et ne devraient pas être affectées par les champs magnétiques galactiques et extragalactiques. Elles devraient être capables d’indiquer d’où elles viennent dans le ciel », a déclaré John Matthews, porte-parole du Telescope Array à l’Université de Washington. Californie et co-auteur de l’étude. Mais dans le cas de la particule Oh My God et de cette nouvelle particule, vous pouvez la retracer jusqu’à sa source et il n’y a rien d’assez d’énergie pour la produire. C’est le secret de tout ça : que se passe-t-il ?

Particule Amaterasu

Dans leur note publiée le 24 novembre 2023 dans le magazine les sciences, une collaboration internationale de chercheurs a décrit des rayons cosmiques de très haute énergie, évalué leurs propriétés et conclu que des phénomènes rares pourraient découler de la physique des particules inconnue de la science. Les chercheurs l’ont baptisée particule Amaterasu, du nom de la déesse du soleil dans la mythologie japonaise. Les particules Oh-My-God et Amaterasu ont été découvertes à l’aide de différentes techniques d’observation, confirmant que ces événements à très haute énergie, bien que rares, sont réels.

Illustration artistique de l’astronomie des rayons cosmiques ultra-énergétiques pour illustrer des phénomènes hautement énergétiques contrairement aux rayons cosmiques plus faibles affectés par les champs électromagnétiques. Source : Université métropolitaine d’Osaka/Université de Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

« Ces événements semblent provenir d’endroits complètement différents dans le ciel. Ce n’est pas comme s’il existait une source mystérieuse », a déclaré John Bales, professeur à l’Université et co-auteur de l’étude. « Il pourrait s’agir d’imperfections dans la structure du ciel. espace-temps, collisions de cordes cosmiques. Je veux dire, je parle juste des idées folles que les gens ont parce qu’il n’y a pas d’explication conventionnelle.

Accélérateurs de particules naturels

Les rayons cosmiques sont des échos d’événements célestes violents qui ont réduit la matière à sa structure subatomique et l’ont projetée à travers l’univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Les rayons cosmiques sont essentiellement des particules chargées avec une large gamme d’énergies constituées de protons positifs, d’électrons négatifs ou de noyaux atomiques entiers qui voyagent dans l’espace et tombent presque continuellement sur la Terre.

Les rayons cosmiques frappent la haute atmosphère terrestre et font exploser les noyaux d’oxygène et d’azote gazeux, générant de nombreuses particules secondaires. Ces particules parcourent une courte distance dans l’atmosphère et répètent le processus, créant une pluie de milliards de particules secondaires qui se dispersent à la surface. La superficie de cette gerbe secondaire est énorme et nécessite que les détecteurs couvrent une superficie aussi grande qu’un réseau de télescopes. Les détecteurs de surface utilisent une combinaison de dispositifs qui fournissent aux chercheurs des informations sur chaque rayon cosmique ; Le timing du signal montre son chemin et la quantité de particules chargées frappant chaque détecteur révèle l’énergie de la particule élémentaire.

Parce que les particules ont une charge, leur trajectoire de vol ressemble à une balle dans un flipper alors qu’elle zigzague contre les champs électromagnétiques à travers le fond cosmique des micro-ondes. Il est presque impossible de retracer le trajet de la plupart des rayons cosmiques, qui se situent à l’extrémité basse à moyenne du spectre énergétique. Même les rayons cosmiques à haute énergie sont déformés par le fond micro-ondes. Les particules contenant l’énergie d’Oh-My-God et d’Amaterasu traversent l’espace intergalactique sous une forme relativement non courbée. Seuls les événements célestes les plus puissants peuvent les produire.

« Les choses que les gens pensent être actives, comme les supernovas, sont loin d’être assez énergétiques pour le faire. Nous avons besoin d’énormes quantités d’énergie et de champs magnétiques très élevés pour confiner la particule pendant son accélération », a déclaré Matthews.

Le secret des rayons cosmiques ultra-énergétiques

Les rayons cosmiques à haute énergie doivent dépasser 5 x 10¹⁹ Volt. Cela signifie qu’une seule particule subatomique transporte la même énergie cinétique qu’une balle rapide d’un grand défenseur et possède des dizaines de millions de fois plus d’énergie que ce que n’importe quel accélérateur de particules artificiel pourrait atteindre. Les astrophysiciens ont calculé cette limite théorique, connue sous le nom de seuil de Gryssen-Zatsepian-Kuzmin (GZK), comme la quantité maximale d’énergie qu’un proton peut transporter en parcourant de longues distances avant que les interactions du rayonnement de fond micro-ondes ne lui enlèvent son énergie. Les sources potentielles connues, telles que les noyaux galactiques actifs ou les trous noirs dotés de disques d’accrétion émettant des jets de particules, ont tendance à se trouver à plus de 160 millions d’années-lumière de la Terre. La nouvelle particule est 2,4×10²⁰ Un volt et une particule, oh mon Dieu, 3,2 x 10²⁰ Volt dépasse facilement la coupure.

Les chercheurs analysent également la composition des rayons cosmiques pour trouver des indices sur leurs origines. Les particules plus lourdes, telles que les noyaux de fer, sont plus lourdes, ont une charge plus importante et sont plus susceptibles de se plier dans un champ magnétique que les particules plus légères constituées de protons d’hydrogène. atome. La nouvelle particule sera probablement un proton. La physique des particules dicte qu’un rayon cosmique dont l’énergie dépasse le seuil GZK est si puissant que le fond micro-ondes ne peut pas déformer son chemin, mais il trace ses points de chemin dans l’espace vide.

« Les champs magnétiques sont peut-être plus forts que nous le pensions, mais cela est incompatible avec d’autres observations qui montrent qu’ils ne sont pas assez forts pour produire une courbure significative à des énergies de 10 à 20 MeV », a déclaré Bales. « C’est un vrai mystère. »

Développez la recherche et le réseau de télescopes

le Réseau de télescopes Il est idéalement placé pour détecter les rayons cosmiques de très haute énergie. Il est situé à une altitude d’environ 1 200 mètres (4 000 pieds), le point d’élévation idéal qui permet aux particules secondaires de se développer au maximum, mais avant qu’elles ne commencent à se désintégrer. Son emplacement dans le désert occidental de l’Utah offre des conditions météorologiques idéales de deux manières : l’air sec est essentiel car l’humidité absorbe la lumière ultraviolette nécessaire à la détection ; Un ciel sombre est nécessaire, car la pollution lumineuse créera beaucoup de bruit et bloquera les rayons cosmiques.

Les astrophysiciens sont encore intrigués par ce mystérieux phénomène. Le réseau de télescopes est au milieu d’un processus d’expansion qui, espèrent-ils, contribuera à résoudre ce problème. Une fois terminés, 500 nouveaux détecteurs scintillants élargiront le réseau du télescope et échantillonneront des gerbes de particules générées par les rayons cosmiques sur 2 900 kilomètres.² (1100 milles² ), une superficie de la taille de l’État du Rhode Island. Espérons que cette plus grande empreinte permettra de capturer davantage d’événements qui feront la lumière sur ce qui se passe.

Pour en savoir plus sur cette découverte :

Référence : « Un rayon cosmique extrêmement énergétique détecté par un réseau de détecteurs de surface » 23 novembre 2023, les sciences.
est ce que je: 10.1126/science.abo5095