Crédit d'image: NASA
Les astronomes pensent que les sursauts gamma, les explosions les plus puissantes de l'Univers, peuvent générer des rayons cosmiques à ultra-haute énergie, les particules les plus énergétiques de l'Univers. Les preuves recueillies par l'Observatoire des rayons gamma Compton désorbité de la NASA ont montré que, dans un cas d'éclatement de rayons gamma, ces particules de haute énergie dominaient la zone donnant une connexion entre elles, mais ce ne sont pas assez de preuves pour dire qu'elles sont définitivement liées .
Les nouvelles explosions les plus puissantes de l'univers, les sursauts gamma, peuvent générer les particules les plus énergétiques de l'univers, appelées rayons cosmiques à ultra-haute énergie (UHECR), selon une nouvelle analyse des observations de l'Observatoire Compton Gamma-Ray de la NASA.
Les chercheurs rapportent dans l'édition du 14 août de Nature d'un motif nouvellement identifié à la lumière de ces éclats énigmatiques qui pourraient être expliqués par des protons se déplaçant dans la largeur de la lumière d'un cheveu.
Ces protons, comme les éclats d'une explosion, pourraient être des UHECR. Ces rayons cosmiques sont rares et constituent un mystère durable en astrophysique, défiant apparemment l'explication physique, car ils sont tout simplement beaucoup trop énergétiques pour avoir été générés par des mécanismes bien connus tels que les explosions de supernova.
"Les rayons cosmiques" oublient "d'où ils viennent parce que, contrairement à la lumière, ils sont fouettés dans l'espace par les champs magnétiques", a déclaré l'auteur principal Maria Magdalena Gonzalez du Los Alamos National Laboratory au Nouveau-Mexique et étudiante diplômée à l'Université du Wisconsin. "Ce résultat est une chance excitante de voir éventuellement des preuves de leur production à leur source."
Les sursauts gamma - un mystère que les scientifiques commencent enfin à percer - peuvent briller aussi brillamment qu'un million de milliards de soleils, et beaucoup peuvent provenir d'un type d'étoile explosive inhabituellement puissant. Les rafales sont courantes mais aléatoires et fugaces, ne durent que quelques secondes.
Les rayons cosmiques sont des particules atomiques (par exemple, des électrons, des protons ou des neutrinos) se déplaçant près de la vitesse de la lumière. Les rayons cosmiques de basse énergie bombardent constamment la Terre, propulsés par les éruptions solaires et les explosions d'étoiles typiques. Les UHECR, avec chaque particule atomique transportant l'énergie d'une balle de baseball lancée dans les ligues majeures, sont cent millions de fois plus énergétiques que les particules produites dans les plus grands accélérateurs de particules d'origine humaine.
Les scientifiques disent que les UHECR doivent être générés relativement près de la Terre, car toute particule voyageant plus de 100 millions d'années-lumière perdrait une partie de son énergie au moment où elle nous atteindrait. Pourtant, aucune source locale de rayons cosmiques ordinaires ne semble suffisamment puissante pour générer un UHECR.
Le document dirigé par Gonzalez ne se concentre pas spécifiquement sur la production UHECR mais plutôt sur un nouveau modèle de lumière vu dans une rafale de rayons gamma. En fouillant profondément dans les archives de l'Observatoire de Compton (la mission s'est terminée en 2000), le groupe a constaté qu'un éclat de rayons gamma de 1994, nommé GRB941017, semble différent des 2700 autres éclats enregistrés par ce vaisseau spatial. Cet éclatement était situé en direction de la constellation de la Sagitta, la Flèche, probablement à dix milliards d'années-lumière de là.
Ce que les scientifiques appellent les rayons gamma sont des photons (particules de lumière) couvrant une large gamme d'énergies, en fait, plus d'un million de fois plus grandes que les énergies que nos yeux enregistrent comme les couleurs d'un arc-en-ciel. Le groupe de Gonzalez a examiné les photons de rayons gamma de plus haute énergie. Les scientifiques ont découvert que ces types de photons dominaient l'éclatement: ils étaient au moins trois fois plus puissants en moyenne que le composant à faible énergie, mais, étonnamment, des milliers de fois plus puissants après environ 100 secondes.
Autrement dit, alors que le flux de photons de faible énergie frappant les détecteurs du satellite a commencé à diminuer, le flux de photons de plus haute énergie est resté stable. Le résultat est incompatible avec le populaire «modèle de choc synchrotron» décrivant la plupart des salves. Alors, qu'est-ce qui pourrait expliquer cet enrichissement de photons de plus haute énergie?
"Une explication est que les rayons cosmiques à ultra-haute énergie sont responsables, mais exactement comment ils créent les rayons gamma avec les schémas énergétiques que nous avons vus a besoin de beaucoup de calculs", a déclaré le Dr Brenda Dingus de LANL, co-auteur de l'article. "Nous allons garder certains théoriciens occupés à essayer de comprendre cela."
Une injection retardée d'électrons à très haute énergie fournit une autre façon d'expliquer le flux de rayons gamma de haute énergie étonnamment élevé observé dans GRB 941017. Mais cette explication nécessiterait une révision du modèle de salve standard, a déclaré le co-auteur Dr Charles Dermer, astrophysicien théorique au US Naval Research Laboratory à Washington. "Dans les deux cas, ce résultat révèle un nouveau processus se produisant dans les sursauts gamma", a-t-il déclaré.
Aucun sursaut gamma n'a été détecté à moins de 100 millions d'années-lumière de la Terre, mais à travers les éons, ces types d'explosions peuvent s'être produits localement. Dans l'affirmative, a déclaré Dingus, le mécanisme que son groupe a vu dans le GRB 941017 aurait pu être reproduit près de chez lui, suffisamment près pour alimenter les UHECR que nous voyons aujourd'hui.
D'autres éclats dans les archives de l'Observatoire de Compton peuvent avoir montré un schéma similaire, mais les données ne sont pas concluantes. Le télescope spatial à grande zone gamma (GLAST) de la NASA, dont le lancement est prévu en 2006, disposera de détecteurs suffisamment puissants pour résoudre les photons de rayons gamma de plus haute énergie et résoudre ce mystère.
Les co-auteurs du rapport Nature incluent également un doctorat. l'étudiant diplômé Yuki Kaneko, le Dr Robert Preece et le Dr Michael Briggs de l'Université de l'Alabama à Huntsville. Cette recherche a été financée par la NASA et l'Office of Naval Research.
Les UHECR sont observés lorsqu'ils s'écrasent dans notre atmosphère, comme l'illustre la figure. L'énergie de la collision produit une pluie d'air de milliards de particules subatomiques et des éclairs de lumière ultraviolette, qui sont détectés par des instruments spéciaux.
La National Science Foundation et des collaborateurs internationaux ont parrainé des instruments sur le terrain, comme le High Resolution Fly's Eye en Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) et l'Ouger Observatory en Argentine (http: / /www.auger.org/). En outre, la NASA travaille avec l'Agence spatiale européenne pour placer l'Observatoire spatial de l'Extrême Univers (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) sur la Station spatiale internationale. La mission OWL proposée, depuis l'orbite, regarderait vers le bas vers les douches aériennes, observant une région aussi grande que le Texas.
Ces scientifiques enregistrent les éclairs et recensent les éclats d'obus subatomiques, travaillant en arrière pour calculer la quantité d'énergie dont une seule particule a besoin pour faire la cascade atmosphérique. Ils arrivent à un chiffre choquant de 10 ^ 20 électron-volts (eV) ou plus. (À titre de comparaison, l'énergie dans une particule de lumière jaune est de 2 eV, et les électrons dans votre tube de télévision sont dans la gamme d'énergie de mille électrons volts.)
Ces particules à ultra-haute énergie subissent les effets bizarres prédits par la théorie d'Einstein de la relativité restreinte. Si nous pouvions les observer venir d'un coin éloigné du cosmos, disons à une centaine de millions d'années-lumière de là, il faudrait être patient - il faudra cent millions d'années pour terminer le voyage. Cependant, si nous pouvions voyager avec les particules, le voyage est terminé en moins d'une journée en raison de la dilatation du temps des objets en mouvement rapide telle que mesurée par un observateur.
Les rayons cosmiques de plus haute énergie ne peuvent même pas nous atteindre s'ils sont produits à partir de sources éloignées, car ils entrent en collision et perdent de l'énergie avec les photons micro-ondes cosmiques laissés par le big bang. Les sources de ces rayons cosmiques doivent être trouvées relativement près de nous, à une distance de plusieurs centaines de millions d'années-lumière. Les étoiles qui explosent sous forme de sursauts de rayons gamma se trouvent à cette distance, de sorte que des efforts d'observation intensifs sont en cours pour trouver des restes de sursauts de rayons gamma distingués par des halos de rayonnement produits par les rayons cosmiques.
Peu de types d'objets célestes possèdent les conditions extrêmes requises pour projeter des particules à des vitesses UHECR. Si les sursauts gamma produisent des UHECR, ils le font probablement en accélérant les particules dans les jets de matière éjectés de l'explosion à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Les sursauts gamma ont le pouvoir d'accélérer les UHECR, mais les sursauts gamma observés jusqu'à présent ont été éloignés, à des milliards d'années-lumière. Cela ne signifie pas qu'ils ne peuvent pas se produire à proximité, dans la distance de coupure UHECR.
Le modèle supernova / collapsar est un concurrent de premier plan pour les types de salves de rayons gamma à longue durée de vie comme GRB941017. Les supernovae se produisent lorsqu'une étoile plusieurs fois plus massive que le Soleil épuise son carburant, provoquant l'effondrement de son noyau sous sa propre gravité tandis que ses couches externes sont emportées par une immense explosion thermonucléaire. Les collapsars sont un type spécial de supernova où le noyau est si massif qu'il s'effondre dans un trou noir, un objet si dense que rien, pas même la lumière, ne peut échapper à sa gravité dans l'horizon des événements du trou noir. Cependant, les observations indiquent que les trous noirs sont des mangeurs bâclés, éjectant du matériel qui passe près, mais ne traverse pas, leurs horizons d'événements.
Dans un collapsar, le noyau de l'étoile forme un disque de matière autour du trou noir nouvellement formé, comme de l'eau tourbillonnant autour d'un drain. Le trou noir consomme la majeure partie du disque, mais une partie de la matière est projetée dans des jets provenant des pôles du trou noir. Les jets traversent l'étoile qui s'effondre à une vitesse proche de celle de la lumière, puis traversent le gaz entourant l'étoile condamnée. Lorsque les jets s'écrasent dans le milieu interstellaire, ils créent des ondes de choc et ralentissent. Des chocs internes se forment également dans les jets lorsque leurs bords d'attaque ralentissent et sont projetés par derrière par un flux de matière à grande vitesse. Les chocs accélèrent les particules qui génèrent des rayons gamma; ils pourraient également accélérer les particules à des vitesses UHECR, selon l'équipe.
"C'est comme faire rebondir une balle de ping-pong entre une pagaie et une table", a expliqué Dingus. «Lorsque vous rapprochez la pagaie de la table, la balle rebondit de plus en plus vite. Dans un sursaut gamma, la palette et la table sont des coquilles éjectées dans le jet. Les champs magnétiques turbulents forcent les particules à ricocher entre les coquilles, les accélérant à presque la vitesse de la lumière avant de se libérer comme UHECR. "
La détection de neutrinos à partir de sursauts gamma permettrait de prouver l'accélération des rayons cosmiques par des sursauts gamma. Les neutrinos sont des particules insaisissables produites lorsque des protons de haute énergie entrent en collision avec des photons. Les neutrinos n'ont pas de charge électrique, alors pointez toujours vers la direction de leur source.
La National Science Foundation construit actuellement IceCube (http://icecube.wisc.edu/), un détecteur de kilomètre cube situé dans la glace sous le pôle Sud, pour rechercher les émissions de neutrinos provenant des sursauts gamma. Cependant, les caractéristiques des accélérateurs de particules à énergie la plus élevée de la nature restent un mystère persistant, bien que l'accélération par les étoiles explosives qui font des sursauts gamma soit en faveur depuis que Mario Vietri (Universita di Roma) et Eli Waxman (Weizmann Institute) l'ont proposé. en 1995.
L'équipe estime que si d'autres explications sont possibles pour cette observation, le résultat est cohérent avec l'accélération UHECR dans les sursauts gamma. Ils ont vu à la fois des rayons gamma de basse énergie et de haute énergie dans l'explosion du GRB941017. Les rayons gamma à basse énergie sont ce que les scientifiques attendent des électrons à grande vitesse déviés par des champs magnétiques intenses, tandis que les rayons à haute énergie sont ce qui est attendu si certains des UHECR produits lors de l'éclatement se brisent sur d'autres photons, créant une pluie de particules , dont certains clignotent pour produire les rayons gamma de haute énergie lorsqu'ils se désintègrent.
Le moment de l'émission des rayons gamma est également important. Les rayons gamma de faible énergie se sont estompés relativement rapidement, tandis que les rayons gamma de haute énergie ont persisté. Cela a du sens si deux classes différentes de particules - les électrons et les protons des UHECR - sont responsables des différents rayons gamma. "Il est beaucoup plus facile pour les électrons que les protons de rayonner leur énergie. Par conséquent, l'émission de rayons gamma à basse énergie des électrons serait plus courte que les rayons gamma à haute énergie des protons », a déclaré Dingus.
L’observatoire des rayons gamma de Compton était le deuxième des grands observatoires de la NASA et l’équivalent des rayons gamma du télescope spatial Hubble et de l’observatoire des rayons X de Chandra. Compton a été lancé à bord de la navette spatiale Atlantis en avril 1991 et, à 17 tonnes, était la plus grande charge utile astrophysique jamais volée à cette époque. À la fin de sa mission de pionnier, Compton a été désorbité et est rentré dans l'atmosphère terrestre le 4 juin 2000.
Source d'origine: communiqué de presse de la NASA
