Rayons cosmiques.
C’est le nom des particules chargées qui traversent notre galaxie. Ils bougent vite. Plus rapide que tout ce que les humains ont construit sur Terre. Le Grand collisionneur de hadrons est impressionnant. Ces particules s’en moquent.
Ce sont pour la plupart des protons. Quelques électrons, bien sûr. Mais des protons.
Pendant des décennies, les astronomes savaient qu’il devait y avoir une source. Un accélérateur cosmique. Un “PéVatron”. Le problème était de le prouver. Vous ne pouvez pas simplement regarder le ciel et dire : « Oui, ce sont des protons ». Non sans se tromper.
Une équipe internationale dirigée par l’Université d’Hiroshima l’a fait. Ils ont confirmé qu’un objet appelé LHAASO J1911+1014u est bien un proton PeVatron. Ce n’est pas une supposition. Ce n’est pas un « peut-être ». Il s’agit de la source de protons la plus énergétique que nous ayons localisée jusqu’à présent dans la Voie Lactée.
Pourquoi le problème des protons est important
Voici l’obstacle technique : les rayons gamma.
Les rayons gamma sont une lumière à haute énergie. Ils apparaissent lorsque les rayons cosmiques frappent les objets. Généralement du gaz. Parfois des champs magnétiques. Le problème ? Les protons et les électrons créent des rayons gamma.
Si vous voyez un éclat de rayons gamma, comment savez-vous quelle particule l’a provoqué ?
Les électrons sont sournois. Ils peuvent imiter les signatures protoniques. Cela a rendu la confirmation d’un “proton PeVatron” presque impossible pendant longtemps. Un PeVatron accélère les protons à des énergies supérieures à un péta-électron-volt (un quadrillion d’eV). C’est énorme. C’est le plafond énergétique des accélérateurs de particules standards de notre galaxie.
“Trouver un accélérateur de protons de rayons cosmiques au-dessus du niveau PeVeV… est l’un des sujets les plus passionnants de l’astrophysique moderne”, a déclaré Tsunefumi Mizuno. Mizuno est l’auteur principal et professeur agrégé au Centre des sciences astrophysiques d’Hiroshima.
Nous avions des candidats. Des dizaines d’entre eux. Mais aucune preuve. LHAASO J1991+1014a était assis là, brillant d’une énergie supérieure à 0,1 PeV. Mais sans distinction claire entre les sources de protons et d’électrons, il restait un suspect et non un condamné.
Trois flèches, une cible
Mizuno a cité un vieux proverbe japonais. “Une flèche est facile à casser. Trois regroupées, pas tellement. “
Il a appliqué cette logique. Au lieu de s’appuyer sur un seul instrument, l’équipe a regroupé trois ensembles de données distincts. Ils devaient exclure les électrons et isoler les protons.
- Rayons gamma depuis l’espace : Le télescope à grande surface Fermi de la NASA a mesuré des rayons gamma autour de 1 GeV. Cela représente un milliard d’électrons-volts.
- Ondes radio depuis le sol : L’étude FOREST du Japon à l’aide du télescope Nobeyama de 45 m a cartographié le gaz interstellaire.
- Rayons X de l’espace : L’observatoire Chandra de la NASA a observé de faibles émissions de rayons X.
Les résultats? Ils ont exclu les électrons. Dinde froide.
Le pistolet fumant : gaz, rayons gamma et silence
Comment savaient-ils que ce n’était pas des électrons ?
Indice 1 : la durée d’énergie.
L’émission de rayons gamma ne s’est pas arrêtée. Il s’étendait continuellement de plus de 100 000 milliards d’eV jusqu’à 400 millions d’eV. Selon la physique, un accélérateur d’électrons ne devrait pas avoir la puissance nécessaire pour maintenir cette forme. Les protons le pourraient.
Indice 2 : La carte du gaz.
Fermi a vu des rayons gamma. FUGIN a vu des nuages denses de gaz interstellaire. Les cartes correspondaient parfaitement. Des protons à haute énergie se brisent en gaz. Le gaz frappe le gaz. Les rayons gamma explosent. S’il s’agissait d’électrons, la carte serait différente. Les électrons n’interagissent pas de la même manière avec le gaz pour créer des rayons gamma. Ils interagissent avec la lumière et les champs magnétiques. La corrélation était indéniable.
Indice 3 : Le manque de bruit.
C’est le plus subtil. Si vous aviez une population d’électrons de haute énergie, Chandra aurait vu de puissants rayons X diffus. Les électrons tournent en spirale dans les champs magnétiques et crient dans les rayons X. Chandra n’a vu… presque rien. Très faible émission. Silence là où il devrait y avoir du bruit.
“Trois éléments de preuve indiquaient le proton PeVatron”, a déclaré Mizuno.
Les électrons ont été exclus. La corrélation gazeuse a confirmé la présence de protons. Le silence de Chandra le scella.
LHAASO J11+101u : Où et quoi
L’objet se trouve à Aquila. Près d’Altaïr. C’est l’étoile brillante qui complète le Triangle d’été. Nous connaissons tous ce triangle des nuits de juillet.
Les astronomes pensaient initialement qu’il s’agissait d’un vestige de supernova. Juste une étoile morte qui s’arrache les tripes. Mais ensuite, ils ont détecté des émissions supérieures à 100 TeV (billion d’électrons-volts). Cela a changé le récit.
Ce n’est pas seulement un vestige. C’est un accélérateur qui fonctionne.
L’étude, publiée dans The Astrophysical Journal, utilise ce que l’équipe appelle une « modélisation complète à plusieurs longueurs d’onde ». C’est une façon élégante de dire qu’ils ont examiné la source sous forme de lumière radio, de rayons X et de rayons gamma et ont forcé les données à avoir un sens. Une seule explication convient : l’accélération des protons.
Au-delà de la source unique
Cela ne s’arrête pas là.
La Voie Lactée regorge de ces choses. Des dizaines d’autres PeVatrons à protons potentiels ont été signalés par le LHAASO. Nous avons maintenant un modèle. Un exemple confirmé. Une ligne de base.
“Nous prévoyons désormais d’examiner systématiquement ces candidats”, a noté Mizuno.
Nous passons de la supposition à la vérification. La prochaine étape consiste à découvrir lesquelles des autres blobs lumineux de notre galaxie poussent réellement les protons à des vitesses d’un quadrillion d’électrons-volts.
En attendant, nous savons une chose avec certitude. L’espace accélère les protons plus rapidement que nous ne l’aurions jamais imaginé. Et maintenant, enfin, nous pouvons le prouver.
“Cette recherche est réalisée grâce à un effort d’équipe”, a déclaré Mizuno. “Une flèche est facile à briser…”
Trois flèches. Regroupé. Confirmé.
