Avec les rayons gamma et les ondes gravitationnellesondes gravitationnelles, les rayons cosmiques sont une fenêtrefenêtre ouverte sur les phénomènes les plus énergétiques qui se produisent dans le cosmoscosmos observable. Leur étude pourrait peut-être nous révéler l'existence d'une nouvelle physique, notamment en relation avec la matière noirematière noire et la gravitation quantique, ou, pour le moins, nous en apprendre beaucoup sur la physique et l'astrophysique des trous noirs et des quasars.

Mais il faut pour cela se tourner vers l'étude des rayons cosmiques à hautes énergiesénergies, qui sont relativement rares. Il n'est pas très difficile d'étudier ceux qui proviennent du SoleilSoleil, pour l'essentiel des protonsprotons et des noyaux d'héliumhélium à basses énergies, mais ils sont désormais bien connus et on ne s'attend pas à des surprises avec eux. Quant aux rayons dont les énergies sont un peu plus élevées, ils proviennent très vraisemblablement d'objets situés dans la Voie lactéeVoie lactée, en l'occurrence des explosions d'étoilesétoiles en supernovae, et ils sont accélérés par des processus relativement bien compris depuis les travaux de Fermi sur les champs magnétiqueschamps magnétiques du milieu interstellaire. Mais, à des énergies nettement plus grandes, les défis théoriques et expérimentaux pour observer ces rayons et les comprendre sont plus importants.

Des particules un millions de fois plus énergétiques qu'au LHC

Pour cette raison, environ 400 scientifiques de 18 pays ont joint leur effort pour la constructionconstruction et l'exploitation d'un détecteur de rayons cosmiques géant installé dans la pampa, en Argentine. Il s'agit de l'observatoire Pierre-Auger, du nom du physicienphysicien français pionnier de l'étude des particules cosmiques. Depuis 2004, ils collectent patiemment les photonsphotons émis par effet Tcherenkov grâce à un réseau de 1.600 détecteurs répartis sur une surface de 3.000 kilomètres carrés. Il s'agit, en quelque sorte, de l'onde de choc lumineuse produite dans l'airair par des particules secondaires, elles-mêmes produites en gerbes par des chocs de particules bien plus énergétiques avec les noyaux de la haute atmosphèreatmosphère. Une seule de ces particules cosmiques peut contenir tellement d'énergie qu'elle provoque alors la création d'un grand nombre de particules qui, elles-mêmes, vont en créer d'autres par le même processus qui se poursuit, telle une avalancheavalanche s'amplifiant jusqu'au sol. Il est ainsi possible d'obtenir plus de 10 milliards de particules secondaires réparties sur plus de 40 kilomètres carrés.

En 2007, les données collectées avaient paru suffisantes pour commencer à penser que l'origine des rayons cosmiques de très hautes énergies avait enfin été déterminée. On pensait que ces rayons devaient résulter de processus qui ne se trouvent qu'aux abords des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs quand ceux-ci sont à l'origine des noyaux actifs des galaxiesnoyaux actifs des galaxies -- ce n'est pas le cas du trou noir situé au cœur de la Voie lactée qui est aujourd'hui très tranquille comparé aux quasars (ces derniers sont des astresastres compacts pouvant se comporter comme des superaccélérateurs cosmiques, permettant de produire des jets de particules dont les énergies peuvent être un million de fois supérieures à celles des protons du LHCLHC).

Carte du ciel montrant le flux de rayons cosmiques. La région présentant un excès de rayons cosmiques est entourée (à droite). Le centre galactique est au centre de l'ellipse. © Collaboration Pierre-Auger

Ces rayons ne peuvent pas provenir de la Voie lactée

Toutefois, les évènements observés par Auger ne permettaient en fait pas de conclure. Il faut se souvenir en effet -- et cela était bien connu avant le démarrage d'Auger -- que les champs magnétiques dans la Voie lactée dévient les rayons cosmiques, qui sont des particules chargées, même si l'effet est moins important pour des particules à très hautes énergies. Celles-ci vont donc avoir tendance à effectuer une sorte de « marche de l'ivrogne » stochastiquestochastique, comme disent les physiciens, et il est alors nullement évident de dire que la direction de laquelle elles semblent venir sur la voûte céleste indique bien la position de sa source.

Aujourd'hui, les chercheurs des astroparticulesastroparticules pensent avoir enfin contourné le problème, comme ils l'expliquent dans un article publié par le journal Nature. Pour cela, ils ont, en quelque sorte, montré que le flux d'environ 30.000 rayons cosmiques très énergétiques détectés entre 2004 et 2016 était en moyenne environ 6 % plus élevé dans une large région de la voûte céleste (une zone du ciel pointant à 120 degrés du centre galactiquecentre galactique) que si ce flux était parfaitement uniforme. Cela ne permet pas de localiser précisément les sources de ces rayons, mais, grâce à cela, il est toutefois possible de passer le seuil des fameux 5 sigmas et de pouvoir affirmer que, du fait de cette absence d'uniformité, ces rayons ne peuvent pas provenir de la Voie lactée ; car les champs magnétiques de notre Galaxie auraient dû uniformiser la répartition des rayons sur la voûte céleste.

Il reste tout de même encore à relier ces rayons cosmiques à des objets extragalactiques. Pour cela, Auger devra encore accumuler des observations. Encore un peu de patience.

Des rayons venus de noyaux actifs de galaxies

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 15/11/2007

Les chercheurs de l'observatoire Pierre-Auger, situé dans la pampa, en Argentine, viennent de résoudre une vieille énigme. L'origine des rayons cosmiques à très hautes énergies serait bien associée aux noyaux actifs de galaxies, et donc à des trous noirs dépassant le million de massesmasses solaires.

L'étude des rayons cosmiques date des débuts du siècle dernier et, avant que l'homme ne soit capable de construire des accélérateurs suffisamment puissants à partir des années 1950, c'est avec eux que les premières grandes découvertes en physique des particules élémentairesphysique des particules élémentaires ont été faites. On peut citer par exemple la confirmation de l'existence de l'anti-matière, avec la détection du positronpositron par Anderson, la découverte du muonmuon et l'identification du mésonméson pipi de Yukawa, responsable des forces nucléaires à basses énergies entre les nucléonsnucléons.

C'est un retour aux sources qui est en train de se produire dans le domaine de la physique des hautes énergies avec une jeune et vigoureuse discipline : celle des astroparticules. En effet, nos accélérateurs approchent des limites technologiques et surtout budgétaires. Pour espérer tester des théories prenant le relais du modèle standardmodèle standard au-delà du TeV (téra électron-voltélectron-volt), les chercheurs se tournent  à nouveau vers les rayons cosmiques qui peuvent être des millions de fois plus énergétiques. On aura facilement une idée de ces énergies, en imaginant toute celle d'une balle de tennis d'un joueur de Roland Garros concentrée sur une particule plus petite qu'un atomeatome !

Pour les étudier, un grand projet international a vu le jour il y a des années sous l'impulsion du prix Nobel James Cronin, le découvreur de la violation CPviolation CP, si importante pour tenter d'expliquer la baryogenèse au début du Big BangBig Bang d'après les travaux de Sakharov. Cette collaboration rassemblant des chercheurs de 17 pays et de plus de 70 institutions (avec une forte participation du CNRS et des universités françaises) a entrepris la construction d'un énorme réseau de détecteurs de rayons cosmiques. L'endroit choisi : la pampa argentine, cette immense plaine d'herbagesherbages.

Un observatoire de rayons cosmiques sur 3.000 kilomètres carrés

Baptisé observatoire Pierre-Auger, en l'honneur d'un des grands pionniers français de la physique des rayons cosmiques, il est constitué de 1.600 détecteurs de particules sensibles au rayonnement Cerenkovrayonnement Cerenkov, espacés de 1,5 kilomètre, s'étendant sur une surface de 3.000 kilomètres carrés. Ceux-ci sont complétés par 24 télescopes sensibles au rayonnement ultravioletultraviolet de fluorescence, causé par la collision d'un rayon cosmique avec les atomes d'azoteazote de notre atmosphère. Lorsqu'un rayon cosmique possède une énergie suffisante, sa collision avec un noyau d'atome de notre atmosphère génère une cascade de particules, dites secondaires, atteignant le sol. L'ensemble de ces particules secondaires peut se retrouver répartie sur une surface de 40 kilomètres carrés.

© Universe review

La majeure partie des rayons cosmiques sont des protons et des noyaux atomiques comme ceux du ferfer, et si l'on comprend leurs origines et leurs modes d'accélération à basse énergie, ce n'est pas vraiment le cas à très hautes énergies. Dans le premier cas, les sources sont très probablement des supernovaesupernovae et il intervient un mécanisme proposé par Enrico FermiEnrico Fermi, mais lorsque que les énergies atteignent 10¹⁹ eV, les choses sont beaucoup moins claires. Toutefois, les conditions exceptionnelles régnant au voisinage des noyaux actifs de galaxies, en particulier les quasars, semblaient à beaucoup le bon endroit où chercher l'origine des UHECR (Ultra High Energy Cosmic Rays). Mais comment en être sûr ?

En effet, à cause de l'abondance des particules secondaires produites, il est difficile de remonter à la direction d'arrivée du rayon cosmique hautement énergétique arrivant sur Terre. Cette information est pourtant indispensable pour attribuer l'émissionémission à une région précise du ciel occupée par un astre détectable dans le visible ou dans un autre domaine du rayonnement électromagnétique, comme celui des ondes radio, X et gamma.

Auger a spécifiquement été conçu pour relever ce défi et depuis sa mise en service en janvier 2004, c'est plus d'un million de rayons cosmiques avec 81 d'entre eux possédant une énergie supérieure à 40.10¹⁸ eV qui ont été détectés.

Précisons quand même que l'inconvénient causé par la grande multiplicité des particules secondaires créées par rapport à d'autres rayons cosmiques à des énergies un peu plus basses est compensé par un avantage. En effet, les rayons cosmiques à plus basse énergie sont plus sensibles aux champs magnétiques régnant dans le milieu interstellaire. Ceux-ci y provoquent une série de déviations aléatoires brouillant les pistes menant à la localisation exacte du lieu de création de ces particules. Les UHECR sont par contre eux très peu déviés.

© Observatoire Pierre-Auger

Sur la carte ci-dessus sont représentés en rouge 472 noyaux actifs de galaxies (AGN) dans un volumevolume d'un rayon de 75 mégaparsecs ainsi que la localisation des UHECR représentés par des ellipses noires, d'environ 3° de taille angulairetaille angulaire sur la sphère céleste. On note une forte corrélation entre direction d'arrivée de ces rayons cosmiques et présence d'un noyau actif de galaxie.

Vraisemblablement, c'est dans les jets colossaux de particules associés aux quasars que doivent se produire les mécanismes à l'origine d'au moins une partie des UHECR observés sur Terre.