Dans une vague de communiqués de presse, les dernières études réalisées par le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA éclairent le monde de l'astrophysique des particules avec la nouvelle de la façon dont les supernovae pourraient être les ancêtres des rayons cosmiques. Les autres sont des électrons et des noyaux atomiques. Quand ils rencontrent un champ magnétique, leurs trajectoires changent comme une voiture tamponneuse dans un parc d'attractions - mais il n'y a rien d'amusant à ne pas connaître leurs origines. Maintenant, quatre années de dur labeur effectuées par des scientifiques de l’Institut Kavli pour l’astrophysique des particules et la cosmologie du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’énergie (DOE) ont porté leurs fruits. Il existe des preuves de la naissance des rayons cosmiques.
"Les énergies de ces protons sont bien au-delà de ce que les collisionneurs de particules les plus puissants de la Terre peuvent produire", a déclaré Stefan Funk, astrophysicien du Kavli Institute et de l'Université de Stanford, qui a dirigé l'analyse. «Au siècle dernier, nous avons beaucoup appris sur les rayons cosmiques lorsqu'ils arrivent ici. Nous avons même eu de fortes suspicions quant à la source de leur accélération, mais nous n'avions aucune preuve sans ambiguïté pour les soutenir jusqu'à récemment. "
Jusqu'à présent, les scientifiques ne savaient pas clairement certains détails - tels que les particules atomiques qui pourraient être responsables des émissions du gaz interstellaire. Pour faciliter leurs recherches, ils ont examiné de très près une paire de restes de supernova émettant des rayons gamma - connus sous le nom de IC 443 et W44. Pourquoi cet écart? Dans ce cas, les rayons gamma partagent des énergies similaires avec les protons et les électrons des rayons cosmiques. Pour les distinguer, les chercheurs ont découvert le pion neutre, le produit des protons des rayons cosmiques impactant les protons normaux. Lorsque cela se produit, le pion se désintègre rapidement en un ensemble de rayons gamma, laissant une baisse de signature - celle qui fournit une preuve sous la forme de protons. Créés dans un processus appelé accélération de Fermi, les protons restent captifs dans le front de choc en mouvement rapide de la supernova et ne sont pas affectés par les champs magnétiques. Grâce à cette propriété, les astronomes ont pu les retrouver directement à leur source.
"La découverte est le pistolet fumant que ces deux restes de supernova produisent des protons accélérés", a déclaré le chercheur principal Stefan Funk, astrophysicien au Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology à Stanford University en Californie. "Maintenant, nous pouvons travailler pour mieux comprendre comment ils gèrent cet exploit et déterminer si le processus est commun à tous les restes où nous voyons l'émission de rayons gamma."
S'agit-il de petits speedsters? Vous betcha. Chaque fois que la particule traverse le front de choc, elle gagne environ 1% de vitesse en plus - éventuellement assez pour se libérer sous forme de rayon cosmique. "Les astronautes ont documenté qu'ils voient réellement des éclairs de lumière associés aux rayons cosmiques", a noté Funk. "C’est l’une des raisons pour lesquelles j’admire leur bravoure - l’environnement est vraiment très difficile." La prochaine étape de cette recherche, a ajouté Funk, consiste à comprendre les détails exacts du mécanisme d'accélération ainsi que les énergies maximales auxquelles les restes de supernova peuvent accélérer les protons.
Cependant, les études ne s'arrêtent pas là. De nouvelles preuves de restes de supernovae agissant comme des accélérateurs de particules ont émergé lors d'une analyse observationnelle minutieuse par l'astronome serbe Sladjana Nikolic (Institut Max Planck pour l'astronomie). Ils ont regardé la composition de la lumière. Nikolic explique: «C'est la première fois que nous avons pu examiner en détail la microphysique dans et autour de la région de choc. Nous avons trouvé des preuves d'une région précurseur directement en face du choc, qui est considéré comme une condition préalable à la production de rayons cosmiques. De plus, la région précurseur est chauffée exactement comme on pourrait s'y attendre s'il y avait des protons emportant l'énergie de la région directement derrière le choc. »
Nikolic et ses collègues ont utilisé le spectrographe VIMOS au Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral au Chili pour observer et documenter une courte section du front de choc de la supernova SN 1006. Cette nouvelle technique est connue sous le nom de spectroscopie de champ intégrale - un premier processus ce qui permet aux astronomes d'examiner en profondeur la composition de la lumière du reste de la supernova. Kevin Heng de l'Université de Berne, l'un des superviseurs des travaux de doctorat de Nikolic, a déclaré: «Nous sommes particulièrement fiers du fait que nous ayons réussi à utiliser la spectroscopie de champ intégrale d'une manière plutôt peu orthodoxe, car elle est généralement utilisée pour l'étude de galaxies à grand décalage vers le rouge. Ce faisant, nous avons atteint un niveau de précision qui dépasse de loin toutes les études précédentes. »
C'est vraiment un moment fascinant pour regarder de plus près les restes de supernovae - en particulier en ce qui concerne les rayons cosmiques. Comme l'explique Nikolic: «Il s'agissait d'un projet pilote. Les émissions que nous avons observées du reste de la supernova sont très, très faibles par rapport aux objets cibles habituels pour ce type d'instrument. Maintenant que nous savons ce qui est possible, c'est vraiment excitant de penser à des projets de suivi. » Glenn van de Ven de l'Institut Max Planck pour l'astronomie, l'autre co-superviseur de Nikolic et expert en spectroscopie de champ intégral, ajoute: «Ce type de nouvelle approche observationnelle pourrait bien être la clé pour résoudre l'énigme de la façon dont les rayons cosmiques sont produits dans restes de supernova. "
Le directeur de l'Institut Kavli, Roger Blandford, qui a participé à l'analyse de Fermi, a déclaré: «Il est tout à fait approprié qu'une démonstration aussi claire montrant des restes de supernova accélèrent les rayons cosmiques lorsque nous avons célébré le 100e anniversaire de leur découverte. Cela montre à quelle vitesse nos capacités de découverte progressent. »
Sources originales et lectures complémentaires: Nouvelle approche dans la recherche d'accélérateur de particules cosmiques, Fermi prouve que les restes de supernova produisent des rayons cosmiques et preuve: les rayons cosmiques proviennent d'étoiles qui explosent.
