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Posté par Isabelle le Vendredi 18/03/2011 à 00:00
Retour aux sources du rayonnement cosmique
Des astrophysiciens de l’UNIGE détectent des lieux d’accélération naturelle de particules dans l’espace. Deux études menées par le groupe de Roland Walter, chercheur au Départment d'astronomie de l'Université de Genève (UNIGE), paraissent dans les numéros de février et mars de la revue Astronomy & Astrophysics. Ces publications décrivent des accélérateurs cosmiques de particules à très haute énergie, soit des phénomènes très rarement identifiés. La signature de ces protons et de ces éléctrons les plus énergétiques jamais observés vient d'être mise en évidence dans Eta Carinae, ainsi que dans la nébuleuse du Crabe (Crabe est un nom vernaculaire ambigu utilisé en français pour désigner de nombreuses espèces de crustacés décapodes,...). Ces deux découvertes confirment désormais deux sources de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) cosmique. De telles localisations demeurent très ardues à réaliser pour les chercheurs. C’est là l’enjeu de la prouesse que viennent d’accomplir les astronomes de l’UNIGE.


L'Univers - Illustraton NASA/ESA

Les rayons cosmiques se composent surtout de protons et de noyaux ; plus rarement d'électrons, eux qui se dispersent et perdent très vite leur énergie. A l’heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure solaire »...) actuelle, l’origine de ces rayonnements, soit le lieu où les particules sont accélérées 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...) et dans l’univers, fait l’objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) d’une question importante pour la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) ; déterminer cette origine relève encore de la gageure. Un groupe d’astronomes de l’UNIGE vient cependant d’ouvrir une voie pionnière par des observations réalisées dans le système stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le...) d’Eta Carinae, qui permettra certainement de faire progresser les connaissances. Les chercheurs ont aussi détecté les électrons les plus énergétiques de l’Univers, des électrons qui sont accélérés au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du...) de la nébuleuse du Crabe.

Un peu d’histoire

L'univers accélère des particules jusqu'à des énergies inouïes et ce phénomène naturel n’est toujours pas compris aujourd’hui. Dans notre galaxie, l'énergie des particules accélérées est plus importante que de celle de la lumière émise par l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des étoiles qui la constituent. Impétueuses, ces particules sont donc des éléments essentiels de la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands...) galactique. Elles forment un rayonnement qui a été observé pour la première fois en 1911 par l’astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) Victor Hess, qui obtint le prix Nobel en 1936 pour cette découverte. Plusieurs types de rayonnements sont à distinguer et l’on doit notamment la description du premier 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 s'agit pour sa...) de très haute énergie à 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. Il a travaillé en...), qui le détecta en 1936 depuis le sommet du Jungfraujoch. En 1962, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) repérèrent le premier rayon à énergie ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se...) élevée depuis le Nouveau Mexique.

Vous avez dit rayons cosmiques ?

Aubaine des chercheurs, les particules interagissent dans la région où elles sont émises, générant ainsi de la lumière: des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque...). Les particules à faible énergie émettent du rayonnement radio, tandis que les plus énergétiques émettent principalement du rayonnement gamma. A l’UNIGE, celui-ci est traqué par les astrophysiciens au moyen des satellites INTEGRAL et Fermi. L’équipe de Roland Walter a recouru à ces instruments pour réaliser l’étude de deux accélérateurs cosmiques: l’une des étoiles les plus massives de la galaxie, Eta Carinae, ainsi que la Nébuleuse du Crabe.

Dans le vent des étoiles massives

Eta Carinae est un système stellaire constitué de deux étoiles qui comptent parmi les plus massives et les plus lumineuses de la galaxie. Elles se tournent 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...) en un peu plus de cinq ans sur deux orbites elliptiques au périgée desquelles les étoiles sont près de se toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal, essentiel pour la survie et le développement des êtres vivants, l'exploration, la reconnaissance, la découverte de...). Ces étoiles génèrent des vents stellaires extraordinaires, des collisions, des chocs si violents que la température des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper...) présents s’en trouve élevée à des millions de degrés, tandis que les particules de matière (électrons, protons, noyaux) sont alors accélérées. Dans Eta Carinae, un processus exceptionnel se déroule: la lumière ultraviolette émise à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) de l'étoile va interagir avec les électrons accélérés et les empêcher d'atteindre une énergie trop élevée. L’énergie maximale de ces derniers restera limitée à quelques giga-électrons/volt (GeV).

A nouveau, les astronomes de l’UNIGE ont réalisé cette mesure très fine grâce aux satellites INTEGRAL et Fermi. Leur recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) les a de plus menés vers quelque chose de complètement neuf: ils ont identifié des protons qui sont accélérés à des énergies similaires à celles obtenues dans le Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC) du Centre européen de la recherche nucléaire (CERN) ! S’il s’agit, comme le pensent les acteurs de cette découverte, du repérage de la première signature de l’accélération de protons dans des collisions de vents stellaires, une étape est établie, qui fera date dans la compréhension de l'origine des rayons cosmiques galactiques. L’étude a paru dans le numéro de février de la revue Astronomy & Astrophysics.

Entre les pinces d’un Crabe turbulent

La nébuleuse du Crabe est le résidu de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la matière résultante...) d'une supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa luminosité. Vue depuis la...) qui s’est produite en 1054. Elle est observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus généralement une information...) avec une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de jumelle et émet des rayons cosmiques presque exclusivement faits d’électrons indirectement accélérés par son pulsar (Un pulsar, dont le nom provient de l'abréviation de pulsating radio source (source radio pulsante), est le nom donné à une...) -il s’agit d’une étoile à neutrons tournant sur elle-même trente fois par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de...) et qui se trouve au cœur de la nébuleuse-. Sous l’effet de chocs violents, les électrons subissent une accélération et perdent leur énergie en tournant dans le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique de la nébuleuse. En septembre 2010, le satellite (Satellite peut faire référence à :) Fermi a observé trois flashes de rayons gamma provenant de la nébuleuse. Ces trois flashes, très courts et intenses, sont la signature d'électrons accélérés à une énergie qu’il faut mesurer en péta-électrons/volt, car elle est mille fois plus grande que les débauches énergétiques artificiellement provoquées dans le LHC. I

l s’agit d’électrons munis de l'énergie la plus élevée jamais observée dans une source cosmique, énergie correspondant du reste au seuil maximal que des électrons peuvent atteindre dans la nébuleuse. Ce qui fait dire à Roland Walter qu’« avec la nébuleuse du Crabe, on peut considérer que la nature a créé un "accélérateur parfait" ». Les astrophysiciens de l’UNIGE décrivent l’émission de particules comme issue d'une toute petite région de la nébuleuse, qu’ils sont du reste arrivés à situer tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) proche du pulsar du Crabe. Cette seconde étude fait l’objet d’une publication dans le numéro de mars de la revue Astronomy & Astrophysics. La compréhension des accélérateurs cosmiques passe par l’observation (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 plaisir...) de rayons gamma de diverses énergies. En plus des satellites comme INTEGRAL et Fermi, les astronomes ont dès lors besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois...) d'instruments capables de couvrir des énergies encore plus élevées. Dans cet objectif, ils collaborent avec les physiciens des particules de l'ETHZ, de l’UniZH et de l’EPFL au projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution, et...) CTA (http://www.isdc.unige.ch/cta/), pour lequel le Fonds national a accordé un subside Sinergia.

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Source: UNIGE - Université de Genève