La quête de l’origine des rayons cosmiques d’énergie extrême
Les rayons cosmiques d’ultra haute énergie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (zetta-particules) sont les particules les plus énergétiques jamais mesurées. Selon Ioana Maris(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) de l’ULB(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), ces particules sont environ un million de fois plus énergétiques que celles produites au plus grand collisionneur de hadrons du CERN, et aucun accélérateur fabriqué par l’humain ne peut générer de telles énergies. Elle ajoute: «Quatre particules suffiraient à allumer une ampoule de 60 W pendant une seconde». «Les zetta-particules sont les messagers des phénomènes les plus violents de notre univers et offrent une opportunité unique d’explorer la physique fondamentale des particules. Si nous savons maintenant qu’elles sont d’origine extragalactique, nous ne savons toujours pas exactement où elles ont été produites, ni comment une galaxie les accélère», explique Ioana Maris, coordinatrice du projet GADGET, financé par l’UE, qui a été lancé pour répondre à ces questions. En tant que particules chargées, grâce aux champs magnétiques galactiques et extragalactiques présents dans tout l’univers, les zetta-particules ne suivent pas une trajectoire rectiligne. Le calcul de leur trajectoire repose par conséquent sur une connaissance détaillée de ces champs magnétiques. Les travaux de GADGET ont porté sur l’amélioration de la modélisation du champ magnétique, l’introduction de nouvelles mesures et la compréhension des effets des phénomènes locaux, qui se sont révélés cruciaux pour la précision de la modélisation.
Description 3D du champ magnétique
Avant GADGET, Michael Unger(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), collaborateur du projet et ses collègues avaient créé des modèles de champ magnétique 3D en utilisant deux ensembles de mesures: du rayonnement synchrotron(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et de l’effet Faraday(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Le rayonnement synchrotron diffus (électromagnétique) est émis par les électrons de la Voie lactée qui tournent en spirale autour des champs magnétiques à des longueurs d’onde radio et à des vitesses proportionnelles à la trajectoire courbe créée par le champ magnétique, tandis que l’effet Faraday de la polarisation de la lumière provenant de sources lointaines, comme les pulsars, dépend de l’intensité du champ magnétique. GADGET a apporté un éclairage précieux sur les effets de l’univers local. «Nous vivons dans un vide local, appelé “bulle locale”, où la densité de la matière qui nous entoure est environ 20 fois inférieure à celle du milieu interstellaire, probablement en raison de multiples explosions de supernova qui ont expulsé la matière, influençant les champs magnétiques», explique Ioana Maris. À l’aide de cartes de la densité des poussières, le boursier Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), Vincent Pelgrims(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) a développé un modèle qui explique comment ces violentes explosions de supernova influencent le champ magnétique, ce qui lui a permis de déduire la forme de la bulle locale et de modéliser ainsi le champ magnétique de l’univers local. Combinées aux travaux de Michael Unger, ces données offrent de précieuses informations sur la forme du champ magnétique galactique. «L’intégration des résultats de GADGET a modifié l’interprétation du rayonnement synchrotron, en particulier aux grandes latitudes, soulignant l’importance de prendre en compte la bulle locale pour modéliser les champs magnétiques galactiques», explique Ioana Maris.
Remonter au point d’origine
L’un des principaux défis de l’étude des zetta-particules est leur rareté, une seule particule par kilomètre carré et par siècle atteint la Terre, soit environ 10 000 particules par jour. S’il est impossible de construire un détecteur de la taille de la Terre, le plus grand, l’observatoire Pierre Auger en Argentine, enregistre des données depuis 2004, permettant aux chercheurs de mesurer plus de 100 particules aux énergies les plus élevées. La collaboration de l’équipe avec l’Observatoire, récemment équipé de détecteurs supplémentaires pour une sensibilité et une précision accrues, offre la perspective très réelle de localiser l’origine des zetta-particules, et leurs premiers résultats ont été présentés récemment dans le cadre d’une série de conférences. «Il serait impossible de remonter à l’origine des zetta-particules si nous ne tenons pas compte de l’influence des champs magnétiques», fait remarquer Ioana Maris. «Nous disposons d’informations selon lesquelles les zetta-particules pourraient être produites dans des galaxies à sursaut de formation d’étoiles avec des taux de formation d’étoiles très élevés, ou dans la région du Centaure. Je suis très enthousiaste à l’idée que nous puissions bientôt percer le mystère de ces énigmatiques particules d’ultra haute énergie.»