Ciel radio à basse fréquence lors d'un coup de rayon cosmique. Crédit d'image: MPIFR. Cliquez pour agrandir.
À l'aide de l'expérience LOPES, un prototype du nouveau radiotélescope de haute technologie LOFAR pour détecter les particules de rayons cosmiques à ultra-haute énergie, un groupe d'astrophysiciens, en collaboration avec Max-Planck-Gesellschaft et Helmholtz-Gemeinschaft, a enregistré le plus brillant et le plus rapide explosions radio jamais vues dans le ciel. Les explosions, dont la détection est rapportée dans le numéro de cette semaine de la revue Nature, sont des éclairs radicaux de lumière radio qui apparaissent plus de 1000 fois plus brillants que le soleil et presque un million de fois plus rapides que la foudre normale. Pendant un très court instant, ces flashs - qui étaient jusqu'ici passés inaperçus - deviennent la lumière la plus brillante du ciel avec un diamètre deux fois plus grand que la lune.
L'expérience a montré que les flashes radio sont produits dans l'atmosphère terrestre, causés par l'impact des particules les plus énergétiques produites dans le cosmos. Ces particules sont appelées rayons cosmiques à ultra-haute énergie et leur origine est un puzzle en cours. Les astrophysiciens espèrent maintenant que leur découverte apportera un éclairage nouveau sur le mystère de ces particules.
Les scientifiques ont utilisé un ensemble d'antennes radio et le large éventail de détecteurs de particules de l'expérience KASCADE-Grande au Forschungszentrum Karlsruhe. Ils ont montré que chaque fois qu'une particule cosmique très énergétique frappait l'atmosphère terrestre, une impulsion radio correspondante était enregistrée dans la direction de la particule entrante. En utilisant des techniques d'imagerie de la radioastronomie, le groupe a même produit des séquences de films numériques de ces événements, produisant les films les plus rapides jamais produits en radioastronomie. Les détecteurs de particules leur ont fourni des informations de base sur les rayons cosmiques entrants.
Les chercheurs ont pu montrer que la force du signal radio émis était une mesure directe de l'énergie des rayons cosmiques. «Il est étonnant qu'avec de simples antennes radio FM, nous puissions mesurer l'énergie des particules provenant du cosmos», déclare le professeur Heino Falcke de la Fondation néerlandaise pour la recherche en astronomie (ASTRON), porte-parole de la collaboration LOPES. "Si nous avions des yeux radio sensibles, nous verrions le ciel briller de flashs radio", ajoute-t-il.
Les scientifiques ont utilisé des paires d'antennes similaires à celles utilisées dans les récepteurs radio FM ordinaires. «La principale différence avec les radios normales est l'électronique numérique et les récepteurs large bande, qui nous permettent d'écouter plusieurs fréquences à la fois», explique Dipl. Phys. Andreas Horneffer, étudiant diplômé de l'Université de Bonn et de l'International Max-Planck Research School (IMPRS), qui a installé les antennes dans le cadre de son projet de doctorat.
En principe, certains des flashs radio détectés sont en fait assez puissants pour effacer brièvement la réception radio ou TV conventionnelle. Pour démontrer cet effet, le groupe a converti leur réception radio d'un événement de rayons cosmiques en bande sonore (voir ci-dessous). Cependant, comme les flashs ne durent que pendant environ 20 à 30 nanosecondes et que les signaux lumineux ne se produisent qu'une fois par jour, ils seraient difficilement reconnaissables dans la vie quotidienne.
L'expérience a également montré que l'émission radio variait en intensité par rapport à l'orientation du champ magnétique terrestre. Ces résultats et d'autres ont confirmé les prédictions de base qui avaient été faites dans les calculs théoriques précédemment par le professeur Falcke et son ancien doctorant Tim Huege, ainsi que par les calculs du professeur Peter Gorham de l'Université d'Hawaï.
Les particules de rayons cosmiques bombardent constamment la Terre, provoquant de petites explosions de particules élémentaires qui forment un faisceau de matière et de particules anti-matière se précipitant dans l'atmosphère. Les particules les plus légères chargées, électrons et positrons, dans ce faisceau seront déviées par le champ géomagnétique de la Terre qui les fait émettre des émissions radio. Ce type de rayonnement est bien connu des accélérateurs de particules sur Terre et est appelé rayonnement synchrotron. Par analogie, les astrophysiciens parlent désormais de rayonnement «géosynchrotron» dû à l'interaction avec le champ magnétique terrestre.
Les flashs radio ont été détectés par les antennes LOPES installées dans l'expérience de douche à air cosmique KASCADE-Grande au Forschungszentrum Karlsruhe, en Allemagne. KASCADE-Grande est une expérience de pointe pour mesurer les rayons cosmiques. «Cela montre la force d'avoir une expérience majeure de physique des astroparticules directement dans notre quartier - cela nous a donné la possibilité d'explorer également des idées inhabituelles comme celle-ci», explique le Dr Andreas Haungs, porte-parole de KASCADE-Grande.
Le radiotélescope LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) utilise des antennes prototypes du plus grand radiotélescope du monde, LOFAR, qui sera construit après 2006 aux Pays-Bas et dans certaines régions d'Allemagne. LOFAR a un nouveau design radical, combinant une multitude d'antennes basse fréquence bon marché qui collectent les signaux radio du ciel entier à la fois. Connecté par Internet à haut débit, un supercalculateur a alors la capacité de détecter des signaux inhabituels et de créer des images de régions intéressantes dans le ciel sans déplacer aucune pièce mécanique. «LOPES a obtenu les premiers résultats scientifiques majeurs du projet LOFAR déjà en phase de développement. Cela nous donne la certitude que LOFAR sera en effet aussi révolutionnaire que nous l'avions espéré. » explique le professeur Harvey Butcher, directeur de la Fondation néerlandaise pour la recherche en astronomie (ASTRON) à Dwingeloo, aux Pays-Bas, où LOFAR est actuellement en cours de développement.
"Il s'agit en effet d'une combinaison inhabituelle, où les physiciens nucléaires et les radio-astronomes travaillent ensemble pour créer une expérience de physique des astroparticules unique et très originale", déclare le Dr Anton Zensus, directeur du Max-Planck-Institut f? R Radioastronomie (MPIfR) à Bonn. «Il ouvre la voie à de nouveaux mécanismes de détection en physique des particules et démontre les capacités à couper le souffle des télescopes de nouvelle génération tels que LOFAR et plus tard le Square Kilometer Array (SKA). Soudain, de grandes expériences internationales dans différents domaines de recherche se réunissent »
Dans une prochaine étape, les astrophysiciens veulent utiliser le prochain réseau LOFAR aux Pays-Bas et en Allemagne pour la radioastronomie et la recherche sur les rayons cosmiques. Des tests sont en cours pour intégrer une antenne radio dans l'Observatoire Pierre Auger pour les rayons cosmiques en Argentine et éventuellement plus tard dans le deuxième Observatoire Auger dans l'hémisphère Nord. «Cela peut être une percée majeure dans la technologie de détection. Nous espérons utiliser cette nouvelle technique pour détecter et comprendre la nature des rayons cosmiques de la plus haute énergie et également pour détecter les neutrinos à ultra-haute énergie du cosmos », a déclaré le professeur Johannes Bl? Mer, directeur du programme de physique des astroparticules de l'Association Helmholtz et au Forschungszentrum Karlsruhe.
La détection a été confirmée en partie par un groupe français utilisant le grand radiotélescope de l'observatoire de Paris à Nanay. Historiquement, les travaux sur l'émission radio des rayons cosmiques ont été effectués pour la première fois à la fin des années 1960 avec les premières affirmations de détections. Cependant, aucune information utile n'a pu être extraite avec la technologie de nos jours, et le travail a cessé rapidement. Les principales lacunes étaient le manque de capacités d'imagerie (désormais implémentées par logiciel), la faible résolution temporelle et l'absence d'un réseau de détecteurs de particules bien calibré. Tout cela a été surmonté avec l'expérience LOPES.
Source d'origine: communiqué de presse MPI
