L'origine des rayons cosmiques est à chercher dans des superbulles galactiques

Publié par Redbran le 11/10/2021 à 13:00
Source: CNRS IN2P3
L'énigme était tenace. Près de 110 ans après leur découverte, l'origine des rayons cosmiques restait encore très spéculative. En s'appuyant sur une description précise de ces particules et en étudiant en détail par simulation différents lieux et mécanismes pour leur accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) dans notre Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...), une équipe de physiciens emmenés par Vincent Tatischeff chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) à IJCLab (1) a établi un scénario global et cohérent de la genèse du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) cosmique. Leurs résultats publiés ce-jour dans la revue MNRAS (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), montrent que le berceau de ces bolides est à chercher dans des superbulles de plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) extrêmement chaud.


Cette image de la spectaculaire région N44 H II dans le LMC montre (très presque) sa région centrale, qui est dominée par une grande nébuleuse en forme d'anneau qui comprend une association stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la...) brillante d'étoiles très lumineuses. Il émet des rayons X - ceci est interprété comme un signe que plusieurs étoiles lourdes dans cette zone ont explosé en supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une...) au cours des derniers millions d'années. N44 est un complexe très brillant, riche et bien étudié dans le LMC, quelque peu à l'écart des autres nébuleuses de cette galaxie. L'aspect général (dans la terminologie astronomique: la "morphologie") s'explique bien par une combinaison (Une combinaison peut être :) d'écoulement rapide des étoiles (vents stellaires) et de restes de supernova, ainsi que par la formation séquentielle d'étoiles.
Crédit: ESO

Le rayonnement cosmique est un bombardement continu de particules chargées, principalement des noyaux d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) allant du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) aux noyaux les plus lourds. Ces noyaux proviennent pour l'essentiel de la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...) et frappent la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) avec des énergies parfois des millions de fois supérieures à celles atteintes dans les accélérateurs de particules terrestres. Il est admis que cette énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) leur est probablement transmise par l'onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à...) d'une explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) d'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) en supernova. Par contre, le scénario précis de cette genèse restait à écrire. A l'issue d'un vaste travail de modélisation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) mené par une équipe internationale dirigée par Vincent Tatischeff chercheur à IJCLab (1), le décor initial prend désormais forme. Dans l'article qu'ils publient ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ils montrent que le rayonnement cosmique prend vraisemblablement sa source dans des superbulles cosmiques, des zones galactiques baignées dans un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) ionisé à plus d'un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de degrés issu des vents d'étoiles massives et de supernovæ.

Le rayonnement cosmique fidèlement reproduit

"Lorsque l'on simule l'accélération du contenu de ces superbulles par l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...) d'une supernova, on retrouve bien la composition très particulière du rayonnement cosmique mesurée depuis l'espace ou dans la haute atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :)", explique Vincent Tatischeff. Cette composition est en effet différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) de celle du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...) et du milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre...) local. On y trouve par exemple un déficit d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...), un rapport isotopique néon (Le néon est un élément chimique, de symbole Ne et de numéro atomique 10.) 22 sur néon 20 cinq fois plus élevé ou encore une surreprésentation des éléments réfractaires (2) par rapport aux éléments volatils. "Notre scénario explique pour la première fois l'abondance de tous les rayons cosmiques dits primaires ou principalement primaires de l'hydrogène jusqu'au zirconium (Le zirconium est un élément chimique, de symbole Zr et de numéro atomique 40.) (numéro atomique Z=40)", se félicite le chercheur d'IJCLab.

Un grand nombre de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) inédites

Pour arriver à ce résultat l'équipe a simulé la composition et l'état d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) du milieu interstellaire de ces superbulles mais aussi d'autres environnements galactiques plus froids. Ils ont par ailleurs étudié les mécanismes d'accélération des particules dans les ondes de choc, et en combinant l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de ces données inédites, ils ont déterminé les conditions nécessaires à la production du rayonnement cosmique et ainsi pointé du doigt les ondes de chocs de supernovæ dans les superbulles. "Nous avons également eu la surprise de constater qu'une petite frange du rayonnement cosmique, environ 6%, provenait des vents d'étoiles géantes", précise Vincent Tatischeff. "C'est cette contribution inattendue qui serait à l'origine de l'étonnant rapport isotopique du néon".

Vers une explication des rayons les plus énergétiques ?

Mais ce n'est pas tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...), ce scénario "superbulles" pourrait bien réserver d'autres surprises. "Si des particules de haute énergie peuvent être confinées suffisamment longtemps dans le plasma magnétisé des superbulles, elles pourraient en théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) subir plusieurs accélérations par des ondes de choc successives et gagner en énergie", indique Vincent Tatischeff. "C'est un sujet intéressant parce qu'à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) actuelle on ne sait pas expliquer comment des rayons cosmiques sont accélérés dans notre galaxie jusqu'à des énergies de 1016 à 1018 eV".


Le rayonnement cosmique aurait comme berceau des superbules comme ici la superbulle N44 dans le Grand Nuage de Magellan.
Les superbulles contiennent du plasma porté à plusieurs millions de degrés et font des centaines d'années lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...).
Crédits - Rayons X: NASA/CXC/U.Mich./S.Oey, IR: NASA/JPL, Optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...): ESO/WFI/2.2-m

Notes:
(1) Les autres laboratoires français impliqués sont l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de minéralogie, de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et de cosmochimie (CNRS / Museum national d'histoire naturelle (La démarche d'observation et de description systématique de la nature commence dès...) / Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du...) Université) et le laboratoire AstroParticule et Cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...) (CNRS / CEA / Université de Paris (L’Université de Paris était l’une des plus importantes et des plus...) / Observatoire de Paris). Les auteurs étrangers dépendent du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (Etats-Unis) et du département de Physique de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Turin (Turin (Türìn en piémontais - Torino en italien) est une ville, chef-lieu de la...) (Italie).
(2) Les éléments chimiques sont communément classés en fonction de leur température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...). Les éléments les plus réfractaires, comme l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....), le calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.) ou le zirconium ont des températures de condensation supérieures à 1400 K et dans le milieu interstellaire on les trouve essentiellement incorporés dans des grains de poussière.


Lien vers l'article:
Vincent Tatischeff, John C Raymond, Jean Duprat, Stefano Gabici, Sarah Recchia, The origin of Galactic cosmic rays as revealed by their composition, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 508, Issue 1, November 2021, Pages 1321-1345,

Contacts:
- Vincent Tatischeff - chercheur à IJCLab - Vincent.Tatischeff at csnsm.in2p3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de...).fr
- Vincent Poireau (Poireau est un terme qui désigne plusieurs plantes du genre Allium dont Allium polyanthum, le...) - DAS Astroparticules et cosmologie - vincent.poireau at in2p3.fr
- Emmanuel Jullien - Responsable de la cellule communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) de l'IN2P3 - communication at in2p3.fr
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