Rayons cosmiques : ils sont partis près de chez vous

article original publié par Science @ Nasa
auteur : Docteur Tony Phillips
traduction de Didier Jamet
19 NOVEMBRE 2008

Vue d\'artiste de rayons cosmiques frappant la haute atmosphère
Vue d'artiste de rayons cosmiques frappant la haute atmosphère

Simon Swordy, Université de Chicago

Une équipe internationale de chercheurs a découvert un énigmatique excès d’électrons de haute énergie bombardant la Terre depuis l’espace. La source de ces rayons cosmiques est inconnue, mais les scientifiques pensent qu’elle doit être étonnamment proche du système solaire. Plus intrigant encore : elle pourrait être constituée de matière noire…

Ces résultats paraîtront dans l’édition du 20 novembre du magazine Nature.

« C’est une grande découverte » assure le co-auteur John Wefel, de l’Université d’état de Louisiane. « C’est la première fois que nous voyons une source de rayons cosmiques accélérés se détacher nettement du fond galactique général. »

Les rayons cosmiques galactiques sont des particules subatomiques accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière par de lointaines explosions de supernovae et autres évènements violents. Elles taillent leur route au travers de la voie lactée, formant un nuage de particules de haute énergie qui pénètrent à l’intérieur du système solaire en provenance de toutes les directions de l’Univers. Les rayons cosmiques sont essentiellement des protons ainsi que des noyaux atomiques plus lourds, avec une pincée d’électrons et de photons pour corser le tout.

Afin d’étudier les rayons cosmiques les plus puissants et les plus intéressants, Wefel et ses collègues ont passé les 8 dernières années à faire voler des ballons dans la stratosphère au-dessus de l’Antarctique. La charge utile de ces vols était à chaque fois l’instrument ATIC de la Nasa, un détecteur de rayons cosmiques. L’idée était d’obtenir grâce à ATIC la répartition exacte par type particules de tous ces rayons cosmiques, essentiellement des protons et des ions. Mais le calorimètre trouva quelque chose d’inattendu : un excès d’électrons de haute énergie.

Wefel compare cela au fait de rouler tranquillement sur une autoroute au milieu de voitures de tourisme, de monospaces et de camions, puis de voir brutalement débouler dans la circulation plusieurs dizaines de Lamborghinis. « On ne s’attend pas vraiment à assister à ce genre de spectacle en dehors des circuits ». Pour les rayons cosmiques, c’est pareil. On ne s’attendait pas à voir débouler autant d’électrons de haute énergie au milieu du flux presque paisible d’autres rayons cosmiques.

Pendant 5 semaines de lâchers de ballons en 2000 et 2003, ATIC a compté 70 électrons en excès par rapport au nombre attendu en provenance du fond galactique. 70 peut sembler un chiffre modeste. Mais souvenez-vous du nombre de Lamborghinis que vous avez croisées au cours des 5 dernières semaines. Si vous en avez vues 2 différentes, c’est déjà beaucoup. Alors 70…

« La source de ces électrons exotiques doit être relativement proche du système solaire, guère plus de 3000 années-lumière » affirme le co-auteur de la découverte Jim Adams du Centre Spatial Marshall de la Nasa.

Pourquoi une telle certitude ? « Les électrons de haute énergie perdent rapidement de l’énergie lors de leur traversée de la galaxie. Ils la perdent principalement de deux façons : lorsqu’ils entrent en collision avec des photons de basse énergie, un processus appelé la diffusion Compton inverse, et lorsqu’ils rayonnent de l’énergie en spiralant le long des lignes de champ magnétique de la galaxie » explique Adams. Le temps qu’un électron ait parcouru 3000 années-lumière, il ne mérite déjà plus le qualificatif de « haute énergie ».

Donc, les électrons de haute énergie proviennent forcément du voisinage. Certains scientifiques de l’équipe vont même jusqu’à penser que la source pourrait se trouver à quelques centaines d’années-lumière tout au plus. À titre de comparaison, notre galaxie, la Voie lactée, fait dans les 100 000 années-lumière de diamètre.

« Malheureusement » concède Wefel, « nous ne pouvons localiser précisément la source dans le ciel. Bien qu’ATIC mesure la direction d’arrivée des particules, il est difficile de traduire ces angles d’arrivée en coordonnées célestes. »

Et pour cause : le détecteur était placé dans le panier d’un ballon baguenaudant autour du pôle sud dans un vortex turbulent de vents de haute altitude qui compliquaient singulièrement le pointage. De plus, les électrons entrant avaient au passage vu leur direction initiale biaisée de quelques degrés par le champ magnétique galactique. Le mieux que ATIC pouvait faire, c’était de mesurer une anisotropie générale : en clair, ça venait plutôt d’un côté du ciel que de l’autre.

Cette incertitude donne libre cours aux spéculations les plus hardies. Parmi les possibilités les moins exotiques, on compte un pulsar proche, un microquasar ou un trou noir de masse stellaire. Tous sont théoriquement capables d’accélérer des électrons à cette énergie. Et il est parfaitement possible qu’une telle source soit restée indétectée jusqu’à présent quand bien même elle serait proche de nous. La Nasa a récemment lancé le télescope spatial gamma Fermi qui commence tout juste à observer le ciel avec la sensibilité suffisante pour détecter ces différents types d’objets.

Autre possibilité, celle qui impliquerait la présence de matière noire. C’est ce que vous découvrirez dans la suite de cet article, « la chasse au nuage de matière noire est ouverte » (Lien ci-dessous)

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