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Posté par Michel le Jeudi 11/10/2012 à 00:00
100 ans après, découverte d'un nouveau type de rayons cosmiques
Grâce à XMM-Newton (1), le satellite européen d'astronomie en rayons X, des chercheurs du CNRS (2) et du CEA (3) ont découvert une nouvelle source de rayons cosmiques. Au voisinage de l'extraordinaire amas des Arches, près du centre de la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la galaxie dans laquelle se situent le Système...), ces particules sont accélérées dans l'onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute pression, et elle est alors souvent créée...) générée par le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le...) à une vitesse (On distingue :) d'environ 700 000 km/h de dizaines de milliers de jeunes étoiles. Ces rayons cosmiques produisent alors une émission X caractéristique en interagissant avec les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...) ambiant. Leur origine diffère de celle des rayons cosmiques découverts il y a tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) juste cent ans par Victor Hess, qui sont issus des explosions de supernovæ. Ces résultats sont publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.


La région de l'amas des Arches vue en rayons X (contours) et dans le proche infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) (image de fond). La carte infrarouge est obtenue à partir des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) du télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument...) Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes...) à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de 1,875 µm (données tirées de Dong et al. 2011, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 417, 114). Les contours indiquent l'intensité de la raie du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure...) neutre observée par XMM-Newton autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de l'amas d'étoiles (situé au centre de l'image). L'émission X est produite par des rayons cosmiques accélérés dans l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) formée dans le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec des densités...) par le mouvement supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».) de l'amas. Celui-ci se déplace de la droite vers la gauche de l'image à environ 700 000 km/h. Crédit image: Vincent Tatischeff.

Il y a cent ans, le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et...) autrichien Victor Franz Hess découvrait l'existence d'un rayonnement ionisant (Un rayonnement ionisant est un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse. Pour les rayons ionisants, il y a beaucoup d'usages pratiques, mais ces rayons sont aussi dangereux pour la santé humaine....) d'origine extraterrestre, les "rayons cosmiques". Leur nature est aujourd'hui bien connue. Lorsque certaines étoiles en fin de vie (La vie est le nom donné :) explosent et deviennent des supernovæ, leur matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) est éjectée à une vitesse supersonique et génère des ondes de choc qui accélèrent les particules. Certains noyaux atomiques acquérant ainsi une très forte énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement....) arrivent jusqu'à la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...).

Mais les rayons cosmiques de basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (4) ne sont pas détectés au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions...) de notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre...), car le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil, on parle généralement de vent stellaire.) les empêche de pénétrer dans l'héliosphère. On ne sait donc pas grand-chose de leur composition chimique et de leur flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le...) en dehors du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre...), mais tout indique qu'ils jouent un rôle important dans la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir...). Ainsi, en ionisant et en chauffant les nuages interstellaires les plus denses, ils régulent sans doute la formation des étoiles.

Les auteurs de l'article ont commencé par étudier de façon théorique l'émission X que devraient générer des rayons cosmiques de basse énergie dans le milieu interstellaire. Puis ils ont recherché la trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la...) de cette émission théorique dans des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) en rayons X accumulées par le XMM-Newton depuis son lancement en 1999. En analysant les propriétés de l'émission X du fer interstellaire enregistrée par le satellite (Satellite peut faire référence à :), ils ont alors trouvé les signatures d'une forte population d'ions rapides au voisinage de l'amas des Arches, à environ cent années-lumière du centre de la Voie lactée. Les étoiles de cet amas se déplacent de concert à la vitesse d'environ 700 000 km/h. Les rayons cosmiques sont vraisemblablement produits dans la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) à grande vitesse de l'amas d'étoiles avec un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect...) de gaz se trouvant sur leur chemin (Fig). Dans cette région particulière, la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) d'énergie des ions accélérés est environ mille fois supérieure à celle des rayons cosmiques au voisinage du système solaire.

Il s'agit de la première découverte d'une source majeure de rayons cosmiques (5) de basse énergie en dehors du système solaire. Cela montre que les ondes de choc des supernovae ne sont pas les seuls objets à pouvoir accélérer en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) des noyaux atomiques dans la galaxie. Ces résultats devraient permettre d'identifier de nouvelles sources d'ions dans le milieu interstellaire et peut-être de mieux comprendre les effets de ces particules énergétiques sur la formation des étoiles.


Notes:

(1) XMM-Newton est un satellite de l'ESA auquel le CNES, le CEA et le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) ont fortement contribué.

(2) Laboratoires impliqués: Centre de Spectrométrie Nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) et de Spectrométrie de Masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de...) (CNRS/Université Paris-Sud), Laboratoire d'Annecy le Vieux de Physique des Particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle...) (CNRS/Université de Savoie), Laboratoire Astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...), Interactions, Multi-échelles (CEA/CNRS/Université Paris-Diderot).

(3) Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) de recherches sur les lois fondamentales de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) (Irfu), Service d'astrophysique.

(4) Ceux dont l'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) est inférieure à un demi-milliard d'électronvolts.

(5) Les rayons cosmiques découverts sont hadroniques, c'est à dire constitués en grande majorité de noyaux d'atomes. Les rayons cosmiques hadroniques représentent près de 99% des particules galactiques détectées au voisinage terrestre. Les électrons et positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la...), qui constituent la composante leptonique du rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) cosmique, sont bien moins nombreux.


Référence:

Nonthermal X-rays from low-energy cosmic rays: Application to the 6.4 keV line emission from the Arches cluster region
V. Tatischeff, A. Decourchelle, and G. Maurin, A&A, 2012, 546, A88


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Source: CNRS