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Posté par Adrien le Lundi 25/09/2017 à 00:00
Les rayons cosmiques les plus énergétiques proviennent d'au-delà de notre galaxie
C'est un débat vieux de 50 ans qui est désormais tranché: les rayons cosmiques les plus énergétiques ne proviennent pas de la Voie lactée, mais ont été propulsés depuis des galaxies situées à des dizaines, voire des centaines de millions d'années-lumière. L'observatoire Pierre Auger (Pierre Victor Auger (14 mai 1899 - 25 décembre 1993) était un physicien français né à Paris, fils du professeur de chimie Victor Auger et beau-frère de Francis Perrin....), en Argentine, qui collecte depuis 2004 des informations sur ces particules bombardant 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...), a permis d'apporter cette preuve. 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).) est le principal organisme français de financement de cet observatoire. Cette découverte est publiée dans la revue Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble...) le 22 septembre 2017 par une collaboration internationale, dont font partie des chercheurs de l'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...) de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) et des hautes énergies (CNRS/UPMC/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la...) Diderot) et du Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) (CNRS/Université Grenoble Alpes/Grenoble INP).



L'un des 1 600 détecteurs de l'observatoire Pierre Auger
Ces détecteurs sont des cuves remplies de 12 tonnes d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) pure, qui permettent de détecter les particules de la "gerbe atmosphérique", une cascade de particules secondaires produites lorsqu'un rayon cosmique (Le rayonnement cosmique désigne de manière générale le flux de particules de haute énergie (c'est-à-dire relativistes) présent dans tout l'Univers. Il...) entre dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) terrestre. En traversant les cuves d'eau, les particules secondaires produisent un flash de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) par effet Tcherenkov (L'effet Tcherenkov est un phénomène similaire à une onde de choc, produisant un flash de lumière, et, qui a lieu lorsqu’une particule chargée se déplace dans un milieu avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière du milieu.).
L'observatoire Pierre Auger, en Argentine, est le plus grand détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) de rayons cosmiques au monde (Le mot monde peut désigner :). Il porte le nom du 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...) français qui, le premier, en 1938, a observé les gerbes atmosphériques.
© Céline ANAYA-GAUTIER/CNRS Photothèque

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques (1) qui traversent notre Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) à une vitesse (On distingue :) proche de celle de la lumière. Ceux 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.) proviennent du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) ou de notre galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite...), mais l'origine des particules les plus énergétiques restait débattue depuis leur découverte il y a un demi-siècle: sont-elles issues 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 solaire (dont la...) ou d'objets extragalactiques éloignés ? La question vient d'être tranchée grâce à l'étude de 30 000 particules cosmiques d'une énergie un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un (1 000 001). Il vaut un millier de milliers.) de fois supérieure à celle des protons accélérés au LHC (2). Elles ont été détectées entre 2004 et 2016 avec le plus grand observatoire de rayons cosmiques jamais construit, l'observatoire Pierre Auger, en Argentine. L'étude des directions d'arrivée de ces particules montre qu'à ces énergies, le 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...) de rayons cosmiques en provenance d'une zone du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) pointant à 120 degrés du centre galactique est environ 6 % plus élevé que si le flux était parfaitement uniforme. Cette direction ne peut pas être associée à des sources potentielles dans le plan de 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 supermassif en son centre.) ou en son centre. C'est la première preuve convaincante d'une origine extragalactique pour ces rayons cosmiques.

Le flux de ces rayons cosmiques très énergétiques (au-delà de 2 joules) est d'environ 1 par kilomètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un carré est...) et par an (3). Quand ces rayons entrent en 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.) avec les molécules de la haute atmosphère, ils créent une cascade de plus de 10 milliards de particules secondaires, appelée gerbe atmosphérique, qui peut s'étendre sur plus de 40 kilomètres carrés quand elle arrive au sol. L'observatoire Pierre Auger détecte certaines de ces particules secondaires (électrons, photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) et muons) grâce à un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) de 1 600 détecteurs – des cuves d'eau pure espacées d'1,5 kilomètre, qui s'étendent sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) de 3 000 kilomètres carrés dans la pampa argentine (soit un peu plus que la taille du Luxembourg). En comparant les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'arrivée des particules dans différents détecteurs, on peut déterminer la direction d'où provient le rayon cosmique qui a produit la gerbe atmosphérique.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) d'une gerbe atmosphérique au-dessus d'un détecteur de particules (Un détecteur de particules est un appareil de physique des particules qui permet de détecter le passage d'une particule, et, généralement, d'en déduire sa masse et sa charge électrique.) de l'Observatoire Pierre Auger, sur fond de ciel étoilé.
© A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret

Cette découverte indique clairement une origine extragalactique pour ces particules cosmiques, le motif observé dans le ciel ne pouvant être le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du...) du hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.) qu'avec une chance sur cinq millions. Cependant, cette étude ne permet pas encore de localiser précisément les sources. En effet, la région la plus brillante en rayons cosmiques s'étend sur une vaste portion du ciel, où le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de galaxies est relativement élevé. De plus, le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) de la Voie lactée dévie les trajectoires de ces particules chargées (4) et brouille les pistes.

Il existe des rayons cosmiques encore plus énergétiques que ceux auxquels cette étude s'attache. Ils ont comme inconvénient d'être encore plus rares, mais aussi l'avantage d'être moins déviés par le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique de notre propre galaxie ; leur direction d'arrivée pourrait donc pointer au plus près de leur lieu de production. En 2007, une précédente étude avait pointé une corrélation entre des noyaux actifs de galaxies et les directions d'arrivée des rayons cosmiques les plus énergétiques alors détectés (5), mais cette corrélation s'est par la suite révélée peu significative. Des études se déroulent actuellement sur une collection bien plus importante de rayons cosmiques ultra-énergétiques, et pourraient apporter des éléments de réponse. En parallèle, un programme d'amélioration de l'observatoire Pierre Auger est en cours et devrait permettre d'identifier plus clairement ces sources.


Carte du ciel montrant le flux de rayons cosmiques.
La région présentant un excès de rayons cosmiques est entourée.
Le centre galactique est au centre de l'ellipse.
© Collaboration Pierre Auger

400 scientifiques de 18 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas...) participent à la collaboration Pierre Auger, qui développe et exploite l'observatoire du même nom. Le CNRS est le principal organisme français de financement de l'observatoire. Les laboratoires français qui y contribuent sont:
- l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud) ;
- le Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (CNRS/UPMC/Université Paris Diderot) ;
- le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (CNRS/Université Grenoble Alpes/ Grenoble INP).

Notes:

(1) De celui de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (proton) pour le plus léger, à celui 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 ou...) pour le plus lourd.
(2) Le Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons du Cern. Cela correspond à une énergie moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) de 2 joules.
(3) Autrement dit, un terrain de football reçoit en moyenne un seul de ces rayons cosmiques par siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être l'âge du Christ ?)....).
(4) Même à de telles énergies, les déflexions sont de l'ordre de quelques dizaines de degrés.
(5) Voir ce communiqué de presse (Un communiqué de presse est un document court envoyé aux journalistes dans le but de couvrir un événement.): L'Observatoire Pierre Auger remonte aux sources des rayons cosmiques d'énergie extrême (8 novembre 2007). Consulter le site web (Un site Web est un ensemble de pages Web hyperliées entre elles et mises en ligne à une adresse Web. On dit aussi site Internet par métonymie, le World Wide Web reposant sur Internet.)


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Source: CNRS