Les astronomes mesurent les électrons cosmiques aux énergies les plus élevées à ce jour

Cinq télescopes de la collaboration HESS en Namibie sont utilisés pour étudier le rayonnement cosmique, en particulier le rayonnement gamma. Grâce aux données de 10 années d’observations, les chercheurs sont désormais capables de détecter des électrons et des positons cosmiques dotés d’une énergie sans précédent de plus de 10 téraélectronvolts.

Puisque les particules chargées sont déviées dans toutes les directions par les champs magnétiques de notre voisinage cosmique, il est difficile de déterminer leur origine. Mais cette fois, la qualité exceptionnelle du spectre énergétique des particules mesuré jusqu’aux valeurs d’énergie les plus élevées ouvre de nouvelles possibilités : les scientifiques soupçonnent qu’un pulsar, qui ne se trouve peut-être qu’à quelques milliers d’années-lumière, pourrait être la source .

L’univers abrite des environnements extrêmes, depuis les températures les plus froides jusqu’aux sources les plus énergétiques. Les objets extrêmes tels que les restes de supernova, les pulsars ou les noyaux galactiques actifs produisent des particules chargées et des rayonnements gamma avec des énergies bien supérieures à celles atteintes dans des processus thermiques tels que la fusion nucléaire des étoiles.

Alors que les rayons gamma émis traversent l’espace sans être perturbés, les particules chargées – ou rayons cosmiques – sont déviées par les champs magnétiques omniprésents dans l’univers et atteignent la Terre de manière isotrope depuis toutes les directions. Cela signifie que les chercheurs ne peuvent pas déduire directement l’origine du rayonnement.

De plus, les particules chargées perdent de l’énergie à cause des interactions avec la lumière et les champs magnétiques. Ces pertes sont particulièrement fortes pour les électrons et les positrons les plus énergétiques (antiparticules chargées positivement de l’électron) avec des énergies supérieures à la barre du téraélectronvolt.

Lorsque les instruments sur Terre mesurent des particules cosmiques chargées d’énergies aussi élevées, cela signifie qu’elles ne peuvent pas avoir voyagé loin. Cela indique l’existence de puissants accélérateurs de particules naturels à proximité de notre système solaire.

Un pli dans le spectre révèle l’origine

Dans une nouvelle analyse, les scientifiques de la collaboration HESS ont pour la première fois déterminé la provenance de ces particules cosmiques. Le point de départ de l’analyse est la mesure du spectre des rayons cosmiques, c’est-à-dire la répartition énergétique des électrons et des positrons mesurés. L’analyse est basée sur 10 années d’observations, ce qui garantit une haute qualité des données. Le spectre électronique intégré s’étend jusqu’à plusieurs dizaines de téraélectronvolts.

L’article est publié dans la revue Lettres d’examen physique.

« Notre mesure fournit non seulement des données dans une gamme d’énergie cruciale et jusqu’alors inexplorée, ce qui a un impact sur notre compréhension du voisinage local, mais elle restera probablement également une référence pour les années à venir », déclare Werner Hofmann de l’Institut Max Planck pour le nucléaire. Physique à Heidelberg.

Dans le spectre, caractérisé par des barres d’erreur relativement petites aux énergies TeV, une courbe importante à environ un téra-électronvolt est frappante. Au-dessus comme en dessous de cette cassure, le spectre suit une loi de puissance sans autre anomalie.

S’égarer à travers la galaxie

Pour découvrir quel processus astrophysique a accéléré les électrons à des énergies aussi élevées et quelle est l’origine du pli, les chercheurs ont comparé ces données avec les prédictions des modèles. Les sources candidates sont des pulsars, qui sont des restes stellaires dotés de puissants champs magnétiques. Certains pulsars soufflent un vent de particules chargées dans leur environnement, et le front de choc magnétique de ce vent pourrait être le lieu où les particules subissent une impulsion.

Il en va de même pour les fronts de choc des restes de supernova. Les modèles informatiques montrent que les électrons ainsi accélérés voyagent dans l’espace avec une certaine distribution d’énergie. Ces modèles suivent les électrons et les positons lorsqu’ils se déplacent dans la Voie Lactée et calculent comment leur énergie change lorsqu’ils interagissent avec les champs magnétiques et la lumière dans la Voie Lactée.

Au cours du processus, les particules perdent tellement d’énergie que leur spectre énergétique d’origine est déformé. Dans la dernière étape, les astrophysiciens tentent d’adapter leur modèle aux données afin d’en apprendre davantage sur la nature des sources astrophysiques.

Mais quel objet a projeté dans l’espace les électrons mesurés par les télescopes ? Le spectre des particules dont les énergies sont inférieures à un téra-électronvolt est probablement constitué d’électrons et de positons provenant de différents pulsars ou restes de supernova.

Cependant, à des énergies plus élevées, une image différente se dessine : le spectre énergétique chute fortement à partir d’environ un téraélectronvolt. Ceci est également confirmé par les modèles qui étudient les particules accélérées par les sources astronomiques et leur diffusion à travers le champ magnétique galactique. Cette transition à un téraélectronvolt est particulièrement prononcée et exceptionnellement nette.

« Il s’agit d’un résultat important, car nous pouvons conclure que les électrons mesurés proviennent très probablement de très peu de sources situées à proximité de notre propre système solaire, jusqu’à un maximum de quelques milliers d’années-lumière », explique Kathrin Egberts de l’Université. de Potsdam. Cette distance est relativement petite par rapport à la taille de la Voie Lactée.

« Des sources situées à différentes distances élimineraient considérablement ce pli », poursuit Egberts.

Selon Hofmann, même un seul pulsar pourrait être responsable du spectre électronique à haute énergie. Cependant, il n’est pas clair de quoi il s’agit. La source devant être très proche, seuls quelques pulsars sont en cause.