Il y a environ un siècle, les scientifiques ont commencé à se rendre compte qu’une partie du rayonnement que nous détectons dans l’atmosphère terrestre n’est pas d’origine locale. Cela a finalement donné lieu à la découverte de rayons cosmiques, de protons de haute énergie et de noyaux atomiques qui ont été dépouillés de leurs électrons et accélérés à des vitesses relativistes (proche de la vitesse de la lumière). Cependant, plusieurs mystères entourent encore ce phénomène étrange (et potentiellement mortel).
Cela inclut des questions sur leurs origines et sur la manière dont le composant principal des rayons cosmiques (les protons) est accéléré à une vitesse aussi élevée. Grâce à de nouvelles recherches menées par l’Université de Nagoya, des scientifiques ont pour la première fois quantifié la quantité de rayons cosmiques produits dans un reste de supernova. Cette recherche a aidé à résoudre un mystère de 100 ans et est une étape majeure vers la détermination précise d’où viennent les rayons cosmiques.
Alors que les scientifiques théorisent que les rayons cosmiques proviennent de nombreuses sources – notre Soleil, les supernovae, les sursauts gamma (GRB) et les noyaux galactiques actifs (alias quasars) – leur origine exacte est un mystère depuis leur découverte en 1912. De même , les astronomes ont émis l’hypothèse que les restes de supernova (les séquelles des explosions de supernova) sont responsables de leur accélération à presque la vitesse de la lumière.
Des averses de particules de haute énergie se produisent lorsque des rayons cosmiques énergétiques frappent le sommet de l’atmosphère terrestre. Des rayons cosmiques ont été découverts de manière inattendue en 1912. Crédit : Simon Swordy (U. Chicago), NASA
En parcourant notre galaxie, les rayons cosmiques jouent un rôle dans l’évolution chimique du milieu interstellaire (ISM). En tant que tel, comprendre leur origine est essentiel pour comprendre comment les galaxies évoluent. Ces dernières années, de meilleures observations ont conduit certains scientifiques à supposer que les restes de supernova donnent naissance à des rayons cosmiques parce que les protons qu’ils accélèrent interagissent avec les protons de l’ISM pour créer des rayons gamma de très haute énergie (VHE).
Cependant, les rayons gamma sont également produits par des électrons qui interagissent avec des photons dans l’ISM, qui peuvent être sous la forme de photons infrarouges ou de rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB). Par conséquent, déterminer quelle source est la plus grande est primordial pour déterminer l’origine des rayons cosmiques. Dans l’espoir de faire la lumière à ce sujet, l’équipe de recherche – qui comprenait des membres de l’Université de Nagoya, de l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) et de l’Université d’Adélaïde, en Australie – a observé le reste de la supernova RX J1713.7–3946 (RX J1713) .
Images schématiques de la production de rayons gamma à partir de protons et d’électrons de rayons cosmiques. Les protons des rayons cosmiques interagissent avec les protons interstellaires tels que l’hydrogène moléculaire et atomique. L’interaction crée un pion neutre qui se désintègre rapidement en deux photons gamma (processus hadronique). Les électrons des rayons cosmiques énergisent les photons interstellaires (principalement le fond diffus cosmologique ; CMB) en énergie de rayons gamma via la diffusion Compton inverse (processus leptonique). Crédit : Laboratoire d’Astrophysique, Université de Nagoya
La clé de leur recherche était la nouvelle approche qu’ils ont développée pour quantifier la source de rayons gamma dans l’espace interstellaire. Des observations antérieures ont montré que l’intensité des rayons gamma VHE provoqués par la collision de protons avec d’autres protons dans l’ISM est proportionnelle à la densité de gaz interstellaire, ce qui est discernable en utilisant l’imagerie radio. D’autre part, les rayons gamma causés par l’interaction des électrons avec les photons dans l’ISM devraient également être proportionnels à l’intensité des rayons X non thermiques des électrons.
Pour les besoins de leur étude, l’équipe s’est appuyée sur les données obtenues par le High Energy Stereoscopic System (HESS), un observatoire de rayons gamma VHE situé en Namibie (et exploité par l’Institut Max Planck de physique nucléaire). Ils ont ensuite combiné ces données avec des données de rayons X obtenues par l’observatoire de la mission multi-miroirs à rayons X (XMM-Newton) de l’ESA et des données sur la répartition du gaz dans le milieu interstellaire.
Cartes de l’intensité des rayons gamma Ng, de la densité du gaz interstellaire Np et de l’intensité des rayons X Nx. Crédit : Laboratoire d’Astrophysique, Université de Nagoya
Ils ont ensuite combiné les trois ensembles de données et déterminé que les protons représentent 67 ± 8% des rayons cosmiques tandis que les électrons des rayons cosmiques représentent 33 ± 8% – environ une répartition 70/30. Ces découvertes sont révolutionnaires car c’est la première fois que les origines possibles des rayons cosmiques sont quantifiées. Ils constituent également la preuve la plus définitive à ce jour que les restes de supernova sont la source de rayons cosmiques.
Ces résultats démontrent également que les rayons gamma des protons sont plus fréquents dans les régions interstellaires riches en gaz, alors que ceux provoqués par les électrons sont renforcés dans les régions pauvres en gaz. Cela confirme ce que de nombreux chercheurs ont prédit, à savoir que les deux mécanismes travaillent ensemble pour influencer l’évolution de l’ISM. Mentionné Le professeur émérite Yasuo Fukui, qui était l’auteur principal de l’étude :
« Cette nouvelle méthode n’aurait pas pu être réalisée sans des collaborations internationales. [It] sera appliqué à davantage de restes de supernova à l’aide du télescope à rayons gamma de nouvelle génération CTA (Cherenkov Telescope Array) en plus des observatoires existants, ce qui fera considérablement progresser l’étude de l’origine des rayons cosmiques.
En plus de diriger ce projet, Fukui travaille à quantifier la distribution de gaz interstellaire depuis 2003 à l’aide du radiotélescope NANTEN de l’observatoire de Las Campanas au Chili et de l’Australia Telescope Compact Array. Grâce au professeur Gavin Rowell et au Dr Sabrina Einecke de l’Université d’Adélaïde (co-auteurs de l’étude) et à l’équipe HESS, la résolution spatiale et la sensibilité des observatoires gamma ont finalement atteint le point où il est possible de faire des comparaisons. entre les deux.
Pendant ce temps, le co-auteur Dr Hidetoshi Sano du NAOJ a dirigé l’analyse des ensembles de données d’archives de l’observatoire XMM-Newton. À cet égard, cette étude montre également comment les collaborations internationales et le partage de données permettent toutes sortes de recherches de pointe. Avec des instruments améliorés, des méthodes améliorées et de plus grandes opportunités de coopération, nous menons à une époque où les percées astronomiques deviennent une occurrence régulière !
Publié à l’origine le Univers aujourd’hui.
Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Dévoiler un mystère astrophysique de 100 ans : d’où viennent les rayons cosmiques de la Voie lactée.
Référence : « Poursuite de l’origine des rayons gamma dans RX J1713.7-3946 Quantification des composants hadroniques et leptoniques » par Yasuo Fukui, Hidetoshi Sano, Yumiko Yamane, Takahiro Hayakawa, Tsuyoshi Inoue, Kengo Tachihara, Gavin Rowell et Sabrina Einecke, 9 juillet 2021, Journal d’astrophysique.
DOI : 10.3847 / 1538-4357 / abff4a
