La carte cosmique des particules d'Uahigh-Energy pointe vers des trésors cachés depuis longtemps

Les rayons cosmiques provenant de la Vierge se courbent dans les lignes de champ de torsion de la galaxie de sorte qu'ils nous frappent depuis la direction de Canis Major, où Auger voit le centre de son excès. Les chercheurs ont analysé comment le modèle résultant changerait pour les rayons cosmiques de différentes énergies. Ils ont systématiquement trouvé une correspondance étroite avec différents sous-ensembles de données d'Auger.

Le "modèle continu" des chercheurs sur les origines des rayons cosmiques à ultra-haute énergie est une simplification - chaque morceau de matière n'émet pas de rayons cosmiques à ultra-haute énergie. Mais son succès éclatant révèle que les sources réelles des rayons sont abondantes et réparties uniformément dans toute la matière, retraçant la structure à grande échelle. La étude, qui apparaîtra dans Les lettres du journal astrophysique, a suscité de nombreux éloges. "C'est vraiment une étape fantastique", a déclaré Watson.

Immédiatement, certains stocks ont augmenté: en particulier, trois types d'objets candidats qui enfilent l'aiguille d'être relativement communs dans le cosmos mais potentiellement assez spéciaux pour produire des particules Oh-My-God.

Icare Etoiles

En 2008, Farrar et un co-auteur proposé que les cataclysmes appelés événements de perturbation des marées (TDE) pourraient être la source de rayons cosmiques à ultra-haute énergie.

Un TDE se produit lorsqu'une étoile attire un Icarus et s'approche trop près d'un trou noir supermassif. L'avant de l'étoile ressent tellement plus de gravité que son dos que l'étoile est réduite en miettes et tourbillonne dans l'abîme. Le tourbillon dure environ un an. Pendant que cela dure, deux jets de matière - les lambeaux subatomiques de l'étoile perturbée - jaillissent du trou noir dans des directions opposées. Les ondes de choc et les champs magnétiques dans ces faisceaux pourraient alors conspirer pour accélérer les noyaux à des énergies ultra-élevées avant de les propulser dans l'espace.

Les événements de perturbation des marées se produisent environ une fois tous les 100,000 XNUMX ans dans chaque galaxie, ce qui est l'équivalent cosmologique de se produire partout tout le temps. Puisque les galaxies tracent la distribution de la matière, les TDE pourraient expliquer le succès du modèle continu de Ding, Globus et Farrar.

De plus, le flash relativement bref d'un TDE résout d'autres énigmes. Au moment où le rayon cosmique d'un TDE nous atteint, le TDE aura été sombre pendant des milliers d'années. D'autres rayons cosmiques provenant du même TDE pourraient emprunter des trajectoires courbes distinctes ; certains pourraient ne pas arriver avant des siècles. La nature transitoire d'un TDE pourrait expliquer pourquoi il semble y avoir si peu de motifs dans les directions d'arrivée des rayons cosmiques, sans fortes corrélations avec les positions des objets connus. "Je suis maintenant enclin à croire que ce sont principalement des transitoires", a déclaré Farrar à propos des origines des rayons.

L'hypothèse TDE a reçu un autre coup de pouce récemment, à partir d'une observation rapporté dans Nature Astronomie en février.

Pierre Robert, l'un des auteurs de l'article, exploitait un télescope en Californie appelé Zwicky Transient Factory en octobre 2019 lorsqu'une alerte est arrivée de l'observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique. IceCube avait repéré un neutrino particulièrement énergétique. Les neutrinos de haute énergie sont produits lorsque des rayons cosmiques encore plus énergétiques diffusent la lumière ou la matière dans l'environnement où ils sont créés. Heureusement, les neutrinos, étant neutres, voyagent vers nous en lignes droites, ils pointent donc directement vers la source de leur rayon cosmique parent.

Stein a fait pivoter le télescope dans la direction d'arrivée du neutrino d'IceCube. "Nous avons immédiatement vu qu'il y avait un événement de perturbation des marées à partir de la position d'où le neutrino était arrivé", a-t-il déclaré.

La correspondance rend plus probable que les TDE soient au moins une source de rayons cosmiques à ultra-haute énergie. Cependant, l'énergie du neutrino était probablement trop faible pour prouver que les TDE produisent les rayons les plus énergétiques. Certains chercheurs se demandent fortement si ces transitoires peuvent accélérer les noyaux à l'extrémité extrême du spectre d'énergie observé ; les théoriciens explorent toujours comment les événements pourraient accélérer les particules en premier lieu.

Pendant ce temps, d'autres faits ont détourné l'attention de certains chercheurs ailleurs.

Super vents étoilés

Les observatoires de rayons cosmiques tels qu'Auger et le Telescope Array ont également trouvé quelques points chauds - de petites concentrations subtiles dans les directions d'arrivée des rayons cosmiques les plus énergétiques. En 2018, Auger publié les résultats d'une comparaison de ses points chauds avec les emplacements d'objets astrophysiques à quelques centaines de millions d'années-lumière d'ici. (Les rayons cosmiques de plus loin perdraient trop d'énergie dans les collisions à mi-parcours.)

Dans le concours de corrélation croisée, aucun type d'objet n'a obtenu des résultats exceptionnels - ce qui est compréhensible, compte tenu de l'expérience des rayons cosmiques de déviation. Mais la corrélation la plus forte a surpris de nombreux experts : environ 10 % des rayons provenaient de moins de 13 degrés des directions des soi-disant "galaxies en étoile". "Ils n'étaient pas dans mon assiette à l'origine", a déclaré Michael Unger de l'Institut de technologie de Karlsruhe, membre de l'équipe Auger.

Personne n'était plus ravi que Luis Anchordoqui, astrophysicien au Lehman College de la City University de New York, qui proposé galaxies starburst comme origine des rayons cosmiques à ultra-haute énergie en 1999. "Je peux être un peu biaisé sur ces choses parce que j'étais celui qui proposait le modèle vers lequel les données pointent maintenant", a-t-il déclaré.

Les galaxies Starburst fabriquent constamment beaucoup d'étoiles énormes. Les étoiles massives vivent vite et meurent jeunes dans des explosions de supernova, et Anchordoqui soutient que le « supervent » formé par les ondes de choc collectives de toutes les supernovas est ce qui accélère les rayons cosmiques aux vitesses époustouflantes que nous détectons.

Tout le monde n'est pas sûr que ce mécanisme fonctionnerait. « La question est : à quelle vitesse ces chocs sont-ils ? » a dit Franck Rieger, astrophysicien à l'université de Heidelberg. « Dois-je m'attendre à ce que ceux-ci aillent aux énergies les plus élevées ? Pour le moment, j'en doute. »

D'autres chercheurs soutiennent que les objets à l'intérieur des galaxies en étoile pourraient agir comme des accélérateurs de rayons cosmiques, et que l'étude de corrélation croisée ne fait que détecter une abondance de ces autres objets. "En tant que personne qui considère les événements transitoires comme une source naturelle, ceux-ci sont très riches en galaxies en étoile, donc je n'ai aucun problème", a déclaré Farrar.

Galaxies actives

Dans l'étude de corrélation croisée, un autre type d'objet s'est comporté presque mais pas tout à fait aussi bien que les galaxies en étoile : des objets appelés noyaux galactiques actifs, ou AGN.

Les AGN sont les centres chauffés à blanc des galaxies "actives", dans lesquelles le plasma engloutit le trou noir supermassif central. Le trou noir aspire le plasma tout en projetant d'énormes jets de longue durée.

Les membres à haute puissance d'un sous-ensemble particulièrement brillant appelé AGN "radio-forts" sont les objets persistants les plus lumineux de l'univers, ils sont donc depuis longtemps les principaux candidats pour la source de rayons cosmiques à ultra-haute énergie.

Cependant, ces puissants AGN radio-forts sont trop rares dans le cosmos pour passer le test de Ding, Globus et Farrar : ils ne pourraient pas être des traceurs pour la structure à grande échelle. En fait, dans notre voisinage cosmique, il n'y en a presque pas. "Ce sont de bonnes sources, mais pas dans notre arrière-cour", a déclaré Rieger.

Les AGN radio-forts moins puissants sont beaucoup plus courants et pourraient potentiellement ressembler au modèle continu. Centaurus A, par exemple, l'AGN radio-fort le plus proche, se trouve juste au point chaud le plus important de l'observatoire Auger. (Il en va de même pour une galaxie étoilée.)

Pendant longtemps, Rieger et d'autres spécialistes ont sérieusement lutté pour obtenir des AGN de ​​faible puissance pour accélérer les protons à des niveaux de particules Oh-My-God. Mais une découverte récente les a ramenés "dans le jeu", a-t-il déclaré.

Les astrophysiciens savent depuis longtemps qu'environ 90 % de tous les rayons cosmiques sont des protons (c'est-à-dire des noyaux d'hydrogène) ; 9% supplémentaires sont des noyaux d'hélium. Les rayons peuvent être des noyaux plus lourds tels que l'oxygène ou même le fer, mais les experts ont longtemps supposé que ceux-ci seraient déchirés par les processus violents nécessaires pour accélérer les rayons cosmiques à ultra-haute énergie.

Puis dans découvertes surprenantes au début des années 2010, les scientifiques de l'Observatoire Auger ont déduit des formes des gerbes d'air que les rayons à ultra-haute énergie sont principalement des noyaux de poids moyen, tels que le carbone, l'azote et le silicium. Ces noyaux atteindront la même énergie que les protons tout en voyageant à des vitesses inférieures. Et cela, à son tour, permet d'imaginer plus facilement comment l'un des accélérateurs cosmiques candidats pourrait fonctionner.

Par exemple, Riger a identifié un mécanisme cela permettrait aux AGN de ​​faible puissance d'accélérer les rayons cosmiques plus lourds à des énergies ultra-élevées : une particule pourrait dériver d'un côté à l'autre dans le jet d'un AGN, se faisant botter chaque fois qu'elle rentre dans la partie la plus rapide du flux. "Dans ce cas, ils découvrent qu'ils peuvent le faire avec les sources radio de faible puissance", a déclaré Rieger. "Ceux-ci seraient beaucoup plus dans notre arrière-cour."

Un autre papier exploré si les événements de perturbation des marées produiraient naturellement des noyaux de poids moyen. "La réponse est que cela pourrait arriver si les étoiles qui sont perturbées sont des naines blanches", a déclaré Cécilia Lunarini, un astrophysicien de l'Arizona State University qui a co-écrit l'article. "Les naines blanches ont ce genre de composition - carbone, azote." Bien sûr, les TDE peuvent arriver à n'importe quelle "étoile malheureuse", a déclaré Lunarini. "Mais il y a beaucoup de naines blanches, donc je ne vois pas cela comme quelque chose de très artificiel."

Les chercheurs continuent d'explorer les implications du fait que les rayons cosmiques les plus énergétiques soient du côté lourd. Mais ils peuvent convenir que cela facilite le problème de savoir comment les accélérer. "La composition lourde vers une énergie plus élevée détend beaucoup plus les choses", a déclaré Rieger.

Source principale

Au fur et à mesure que la liste restreinte d'accélérateurs candidats se cristallisera, la recherche de la bonne réponse continuera d'être guidée par de nouvelles observations. Tout le monde est enthousiasmé par AugerPrime, un observatoire amélioré ; à partir de cette année, il identifiera la composition de chaque événement de rayons cosmiques, plutôt que d'estimer la composition globale. De cette façon, les chercheurs peuvent isoler les protons, qui dévient le moins sur leur chemin vers la Terre, et revenir sur leurs directions d'arrivée pour identifier les sources individuelles. (Ces sources produiraient probablement aussi les noyaux les plus lourds.)

De nombreux experts soupçonnent qu'un mélange de sources pourrait contribuer au spectre des rayons cosmiques à ultra-haute énergie. Mais ils s'attendent généralement à ce qu'un type de source domine et qu'un seul atteigne l'extrémité du spectre. "Mon pari est sur le fait qu'il n'y en a qu'un", a déclaré Unger.

NDLR : Noémie Globus est actuellement affiliée à ELI Beamlines en République tchèque et au Flatiron Institute à New York. Le Flatiron Institute est financé par la Fondation Simons, qui finance également ce magazine éditorial indépendant. Affiliation à la Fondation Simons n'a aucune incidence sur notre couverture.

Source : https://www.quantamagazine.org/high-energy-cosmic-ray-sources-mapped-out-for-the-first-time-20210427/