11/04/2011 - Je règle le mystère des rayons cosmiques qui frappent la Terre

Menéame

Les particules les plus énergétiques jamais étudiées par les physiciens n’ont pas été détectées dans les grands accélérateurs de particules construits par l’homme, mais dans les observatoires astronomiques. Les rayons cosmiques ultranergétiques frappent la Terre au-delà de notre galaxie, et leur énergie est telle qu’il n’y a pas encore de théorie acceptée pour expliquer quel phénomène est capable de les générer. Mais les données du plus grand observatoire du monde qui les détecte indiquent pour l’instant que "l’hypothèse la plus probable est qu’elles proviennent des énormes trous noirs au centre des galaxies," a expliqué le prix Nobel James E. Cronin, rapporteur du cycle sur l’astrophysique et la cosmologie organisé à Madrid par la Fondation BBVA.

L’énigme de l’origine des rayons cosmiques est parmi les plus pressants de la physique actuelle. Cronin, l’un des plus grands experts internationaux dans ce domaine, disciple de physiciens légendaires comme les prix Nobel Enrico Fermi et Edward Teller, pense que l’explication pourrait être proche.

L’énigme des rayons cosmiques de très haute énergie a pris corps il y a deux décennies. Au début des années 90, plusieurs détecteurs de rayons cosmiques ont signalé l’arrivée de particules beaucoup plus énergétiques que les théories sur les phénomènes astrophysiques connus ne pouvaient l’expliquer. Les physiciens décrivent l’inattendu découverte comme "aller chasser les papillons et vous retrouver avec un avion sur le net." Il s’agissait de particules avec des centaines de millions de fois plus d’énergie qu’il n’était possible dans un accélérateur comme le LHC (Large Hadron Collider), du CERN, près de Genève.

" Nous aurions besoin d’un accélérateur de particules plus grand que notre galaxie pour produire des particules plus énergétiques," a expliqué Cronin. "Alors, pour étudier les rayons cosmiques de très haute énergie, nous sommes entre les mains de la nature, nous ne pouvons que prendre des données."

Qu’est-ce qui peut les accélérer autant ? "C’est excitant de savoir qu’il y a quelque chose qui peut générer ces énergies," dit Cronin.

Cronin a proposé en 1992 - avec son collègue Alan Watson - la construction d’une grande installation qui aiderait à résoudre le mystère. Son idée s’est matérialisée dans le plus grand piège au monde pour les rayons cosmiques: l’Observatoire Pierre Auger, auquel participent environ 500 scientifiques de 95 institutions de 18 pays, dont l’Espagne.

Quatre rayons en quatre ans

Le Pierre Auger est en marche depuis quatre ans à Malargüe, en Argentine. "Ça fonctionne merveilleusement, les données sont d’une qualité exceptionnelle," a déclaré Cronin. Cependant, les rayons cosmiques de très haute énergie sont si rares qu’ils n’arrivent sur Terre qu’un par kilomètre carré et siècle. C’est pourquoi " pendant tout ce temps, nous n’avons détecté que quatre des particules les plus puissantes." Pour résoudre le mystère de son origine, "nous avons besoin de plus de données."

C’est précisément parce que les rayons cosmiques de très haute énergie sont très rares que l’Observatoire Pierre Auger est immense: plus le piège est grand, plus il y a de chances qu’il fonctionne. Le Pierre Auger s’étend sur 3000 km2 en pleine Pampa Amarilla. Il se compose de 1 600 détecteurs - qui sont des réservoirs d’eau pure -, séparés entre eux 1,5 km. Ils sont complétés par 24 télescopes sensibles à la lumière ultraviolette.

L’extension est tellement grande parce que ce qui est détecté, en réalité, ce ne sont pas les rayons cosmiques eux-mêmes, mais la cascade de particules secondaires qui produit son impact dans l’atmosphère. Les rayons cosmiques traversent l’univers presque à la vitesse de la lumière et, en s’écrasant sur la Terre, ils déclenchent dans l’atmosphère une pluie de millions de particules de moins d’énergie. Le front de cette cascade de particules atteint 16 kilomètres carrés.

Ainsi, chaque fois qu’une particule pénètre dans un détecteur, un ordinateur envoie un signal par radio à un centre de données qui intègre les informations des autres. En outre, les télescopes détectent la lumière ultraviolette qui produit la cascade de particules à son passage dans l’atmosphère - comme une étoile filante, mais trop rapide pour que l'œil humain la voie.

Aiguilleurs noirs

L’Observatoire Pierre Auger a déjà fourni un résultat important sur l’origine des rayons cosmiques ultra-énergétiques: les immenses trous noirs qui occupent le noyau des galaxies actives seraient une source probable.

Pour l’instant, les données montrent une corrélation entre la direction d’où proviennent les rayons cosmiques détectés et la localisation de galaxies avec de grands trous noirs dans leurs noyaux. Cronin insiste toutefois sur le fait que cette hypothèse doit encore être confirmée par d’autres observations.

En outre, les astrophysiques ne disposent pas encore d’une bonne théorie pour expliquer exactement le mécanisme d’accélération des particules dans les trous noirs. L’idée générale est que, lorsque ces puits cosmiques de milliards de masses solaires dévorent de la matière, des jets de matière sont émis à proximité qui se déplacent à presque la vitesse de la lumière; une particule présente dans l’environnement qui interagirait avec ces jets pourrait devenir un superrayo cosmique.

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