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, ces particules sont accélérées dans l'onde de choc générée par le déplacement à une vitesse 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 du gaz ambiant. Leur origine diffère de celle des rayons cosmiques découverts il y a tout 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 (image de fond). La carte infrarouge est obtenue à partir des observations du télescope Hubble à la longueur d'onde 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 neutre observée par XMM-Newton autour de l'amas d'étoiles (situé au centre de l'image). L'émission X est produite par des rayons cosmiques accélérés dans l'onde de choc formée dans le milieu interstellaire par le mouvement supersonique 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 autrichien Victor Franz Hess découvrait l'existence d'un rayonnement ionisant d'origine extraterrestre, les « rayons cosmiques ». Leur nature est aujourd'hui bien connue. Lorsque certaines étoiles en fin de vie explosent et deviennent des supernovæ, leur matière 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 arrivent jusqu'à la Terre.
Mais les rayons cosmiques de basse énergie (4) ne sont pas détectés au voisinage de notre planète, car le vent solaire les empêche de pénétrer dans l'héliosphère. On ne sait donc pas grand-chose de leur composition chimique et de leur flux en dehors du système solaire, mais tout indique qu'ils jouent un rôle important dans la galaxie. 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 de cette émission théorique dans des données 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, 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 à grande vitesse de l'amas d'étoiles avec un nuage de gaz se trouvant sur leur chemin (Fig). Dans cette région particulière, la densité 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 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 ont fortement contribué.
(2) Laboratoires impliqués : Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CNRS/Université Paris-Sud), Laboratoire d'Annecy le Vieux de Physique des Particules (CNRS/Université de Savoie), Laboratoire Astrophysique, Interactions, Multi-échelles (CEA/CNRS/Université Paris-Diderot).
(3) Institut de recherches sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu), Service d'astrophysique.
(4) Ceux dont l'énergie cinétique 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, qui constituent la composante leptonique du rayonnement 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
