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Probing the origin of intergalactic magnetic fields and cosmic rays with gamma-ray cascades

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Retracer l’origine des champs magnétiques initiaux les plus faibles de l’espace

Notre Univers fourmille de champs magnétiques faibles — même les étendues cosmiques les plus clairsemées et les plus sombres, où il semble se passer peu de choses, sont parcourues de magnétisme. Des chercheurs financés par l’UE recherchent des preuves de leur présence dans la lumière à haute énergie émise par les galaxies lointaines.

Recherche fondamentale
Espace

Les champs magnétiques s’étendent sur des millions d’années‑lumière à travers l’Univers. Des champs très faibles, environ un million de fois plus faibles que le champ magnétique de la Terre, peuvent se faufiler à travers et entre les étoiles de notre Voie lactée ou agir comme d’énormes filaments reliant des galaxies lointaines. Leurs activités passent inaperçues, sauf lorsqu’ils s’emballent et donnent lieu à des manifestations spectaculaires comme les noyaux actifs de galaxie.

Comment l’Univers a obtenu son champ magnétique primordial

Expliquer l’origine de ces faibles champs magnétiques et leur amplification jusqu’à leurs niveaux actuels reste une grande énigme. L’effet dynamo est l’explication la plus plausible sur la manière dont des champs magnétiques plus puissants ont pu se développer à partir de champs primordiaux. «Le concept s’apparente au mélange d’une petite quantité de pâte fermentée avec une plus grande quantité: le mélange gonfle et lève. De même, lors de la formation des galaxies dans l’Univers primitif, de minuscules champs initiaux allumés par l’effet dynamo ont conduit à la génération de champs magnétiques plus puissants», explique Manuel Meyer, coordinateur du projet GammaRayCascades qui a bénéficié d’un financement dans le cadre du programme Actions Marie Skłodowska-Curie. Si cette justification apporte une conclusion à une énigme, elle soulève également la question de l’origine des champs initiaux. Indépendamment de leur mécanisme de formation, on s’attend à les trouver dans les régions vides de l’Univers. Ces champs pourraient mesurer un milliardième de milliardième du champ magnétique de la Terre.

Les rayons gamma comme sondes pour de minuscules champs magnétiques

«Nos recherches se sont concentrées sur l’observation indirecte des champs magnétiques initiaux, à l’aide d’observations de rayons gamma provenant de galaxies lointaines. Ce type de rayonnement, beaucoup plus énergétique que les rayons X, est produit par des particules chargées qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière dans les écoulements de plasma émis par les noyaux actifs de galaxies, appelés blazars», fait remarquer Manuel Meyer. Au cours de leur voyage vers la Terre, les rayons gamma de haute énergie entrent en collision avec des photons de plus basse énergie provenant du rayonnement de fond cosmique, s’annihilent et créent des paires électron‑positron. Ces particules chargées «sentent» le faible champ magnétique et commencent à tourner dans le champ. Tant qu’il y aura des photons libres dans l’Univers, les rayons gamma continueront à faire passer ces photons à des énergies plus élevées, créant ainsi une cascade de rayons gamma et des paires électron‑positron. Il est alors important de distinguer les rayons gamma qui proviennent du signal de la cascade et ceux qui proviennent directement de la source (blazar). «Étant donné que les électrons et les positrons suivent des trajectoires courbes dans le champ magnétique, les rayons gamma semblent dévier du blazar en direction de la Terre, embrassant ce blazar ponctuel d’un halo de rayonnement», note Manuel Meyer.

Pourquoi les champs magnétiques initiaux sont si importants

En combinant les données d’observation des télescopes Fermi Large Area Telescope et HESS, les chercheurs ont fixé des limites étroites sans précédent sur le faible seuil que doit franchir la force du champ initial pour détecter ce halo. Les chercheurs ont également signalé que l’observation d’un blazar particulier avec le futur télescope Cherenkov Telescope Array pendant 50 heures pourrait aider à sonder les forces des champs magnétiques initiaux qui n’ont pas été limitées jusqu’à présent. Leurs résultats ont été présentés ici. «La détermination de l’intensité des champs magnétiques initiaux pourrait servir de base à des simulations à grande échelle de la formation des galaxies. De telles mesures pourraient également aider à déterminer la force avec laquelle les rayons cosmiques provenant d’au‑delà de la Voie lactée sont déviés sur leur chemin vers la Terre», fait remarquer Manuel Meyer. Une étude similaire sur la façon dont les champs magnétiques polarisent les signaux radio a été menée par le projet LODESTONE. «En définitive, nos recherches pourraient nous éclairer sur la question de savoir si les champs initiaux ont été créés dans le plasma primordial extrêmement chaud peu après le Big Bang ou au cours des explosions stellaires, lorsque le gaz éjecté et les champs magnétiques intérieurs ont “pollué” le reste de l’Univers», conclut Manuel Meyer.

Mots‑clés

GammaRayCascades, rayons gamma, blazar, champs magnétiques initiaux, noyaux actifs de galaxie, formation des galaxies, effet dynamo, paires électron‑positron, halo

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