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Les rayons cosmiques extra-galactiques, quelle énergie !

D’où proviennent les rayons cosmiques de haute énergie ? C’est une question que les astronomes se posent depuis une cinquantaine d’années, et à laquelle la collaboration internationale réunie autour de l'observatoire Pierre Auger vient d’apporter une première réponse.

Un des 1600 détecteurs de particules de l'observatoire Pierre Auger, de nuit. © Observatoire Pierre Auger

Pas simple de connaître l’origine de tous les rayons cosmiques qui parviennent sur Terre, ces noyaux atomiques qui traversent notre Univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Les rayons de basse énergie sont émis par le Soleil ou d'autres objets célestes de notre galaxie. Quant aux rayons cosmiques de très haute énergie, c’est-à-dire d’une énergie supérieure à 2 joules, il nous en parvient très peu : un seulement par km2 et par an ! Jusqu'à présent, il n'y avait donc aucune certitude sur leur origine – Voie lactée, ou régions plus éloignées de l'Univers. 

Cuves de l'observatoire Pierre Auger, le plus grand détecteur de rayons cosmiques au monde, situé à 1400 mètres d'altitude, en Argentine.© Marcel Dalaise/Subatech/CNRS Photothèque

L’observatoire Pierre Auger a précisément été édifié pour observer ces flux de particules rares et ténus – plus précisément, leurs gerbes atmosphériques (encadré). Situé au pied des Andes, en Argentine, à 1400 mètres d'altitude, il se compose d’un réseau de 1600 détecteurs de particules – des cuves d'eau pure espacées d'1,5 kilomètre – répartis sur une surface de 3000 km2, c'est-à-dire la taille du Luxembourg, et de 24 télescopes à fluorescence.

Quand les rayons cosmiques 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 et qui peut s'étendre sur plus de 40 km2 quand elle arrive au sol. L’observatoire Pierre Auger tient d’ailleurs son nom du physicien français qui, le premier, en 1938, a observé ces gerbes. Ce qu’il détecte, ce sont certaines de leurs particules secondaires : électrons, photons et muons. 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. 

Haute énergie, longue distance

Une importante collaboration internationale est réunie autour de cet instrument hors normes, avec 400 chercheurs d’Europe, des Etats-Unis et d’Amérique latine. Elle a analysé les données collectées entre janvier 2004 et août 2016 grâce à l’observation de 30 000 rayons cosmiques de haute énergie. Le résultat, qui a fait l'objet d'une publication dans la revue Science du 22 septembre, est que ces rayons proviennent non pas d’une manière uniforme de toute la voûte céleste, mais en majorité d’une zone particulière du Ciel, une région dense en galaxies.  

Télescope à fluorescence dans l'un des bâtiments de l'observatoire Pierre Auger. Ce type de télescope ne fonctionne que pendant les nuits claires et sans Lune. De grands miroirs concentrent la lumière pour la renvoyer sur une caméra composée de tubes photomultiplicateurs. Ces tubes transforment ensuite les photons en impulsions électriques et les enregistrent. Cela permet de connaître la trajectoire des rayons cosmiques et leur énergie grâce à la quantité de lumière émise par la gerbe.© Marcel Dalaise/Subatech/CNRS Photothèque

Cela permet de conclure sans ambiguïté que les rayons cosmiques de très haute énergie ont été émis à l’extérieur de notre Galaxie avant de parvenir jusqu’à nous. Reste à préciser leur origine exacte ainsi que leur nature, une tâche d'autant plus ardue que le champ magnétique de la Voie lactée dévie leurs trajectoires. C’est le travail auquel s’attellent dorénavant les scientifiques réunis autour du laboratoire Pierre Auger.  

Cette vidéo (en anglais) retrace le parcours possible d'un rayon cosmique jusqu'à la Terre. © Observatoire Pierre Auger

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