Les astronomes identifient la source des rayons cosmiques de haute énergie

Il y a près d’un siècle, les scientifiques ont commencé à se rendre compte qu’une partie du rayonnement que nous détectons dans l’atmosphère terrestre n’est pas d’origine locale. Cela a finalement conduit à la découverte de rayons cosmiques, de protons de haute énergie et de noyaux atomiques qui ont été dépouillés de leurs électrons et accélérés à des vitesses relativistes (proche de la vitesse de la lumière). Cependant, de nombreux mystères entourent encore ce phénomène étrange (et mortel).

Cela comprend des questions sur leurs origines Et comment le composant principal des rayons cosmiques (les protons) est accéléré à une vitesse aussi élevée. Grâce à de nouvelles recherches de l’Université de Nagoya, des scientifiques ont déterminé pour la première fois la quantité de rayons cosmiques produits dans un reste de supernova. Cette recherche a permis de résoudre un mystère vieux de 100 ans et constitue une étape majeure vers la détermination précise de la source des rayons cosmiques.

Alors que les scientifiques pensent que les rayons cosmiques proviennent de plusieurs sources – notre soleil, les supernovae, les sursauts gamma (GRB) et Noyaux Galactiques Actifs (alias quasars) – Leur origine est un mystère depuis leur découverte en 1912. De même, les astronomes ont émis l’hypothèse que les restes de supernova (séquelles d’explosions de supernova) sont responsables de leur accélération à presque la vitesse de la lumière.

Des averses de particules de haute énergie se produisent lorsque des rayons cosmiques énergétiques frappent la partie supérieure de l’atmosphère terrestre. Des rayons cosmiques ont été découverts de manière inattendue en 1912. Crédit d’illustration : Simon Swordy (U. Chicago), NASA.

En parcourant notre galaxie, les rayons cosmiques jouent un rôle dans l’évolution chimique du milieu interstellaire (ISM). En tant que tel, comprendre leur origine est essentiel pour comprendre comment les galaxies ont évolué. Ces dernières années, de meilleures observations ont conduit certains scientifiques à spéculer que les restes de supernova donnent naissance à des rayons cosmiques parce que les protons qu’ils accélèrent interagissent avec les protons de l’ISM pour former des rayons gamma de haute énergie (VHE).

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Cependant, les rayons gamma sont également produits par des électrons interagissant avec des photons dans l’ISM, qui peuvent être sous la forme de photons infrarouges ou de rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB). Par conséquent, la détermination de la plus grande source est essentielle pour déterminer l’origine des rayons cosmiques. Dans l’espoir de faire la lumière sur ce point, l’équipe de recherche – qui comprenait des membres de l’Université de Nagoya, Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ), Université d’Adélaïde, Australie – Remarquez le reste de la supernova RX J1713.7 ? 3946 (RX J1713).

La clé de leurs recherches était la nouvelle approche qu’ils ont développée pour déterminer la source des rayons gamma dans l’espace interstellaire. Des observations antérieures ont montré que l’intensité des rayons gamma VHE provenant des protons entrant en collision avec d’autres protons dans l’ISM est proportionnelle à la densité du gaz interstellaire, qui peut être distinguée à l’aide de l’imagerie radiolinéaire. D’autre part, les rayons gamma générés par l’interaction des électrons avec les photons dans l’ISM devraient également être proportionnels à l’intensité des rayons X non thermiques des électrons.

Pour leur étude, l’équipe s’est appuyée sur les données obtenues par le High Energy Stereoscopic System (HESS), l’observatoire de rayons gamma VHE situé en Namibie (et exploité par l’Institut Max Planck de physique nucléaire). Ils ont ensuite combiné ces données avec les données de rayons X obtenues par l’observatoire de la mission à miroirs multiples à rayons X (XMM-Newton) de l’Agence spatiale européenne et des données sur la répartition des gaz dans le milieu interstellaire.

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Rayons cosmiques produits par les rayons gamma par rapport aux électrons (en haut), et données obtenues par les observations HESS et XMM-Newton (en bas). Crédit : Laboratoire d’Astrophysique / Université de Nagoya

Ils ont ensuite combiné les trois ensembles de données et déterminé que les protons représentaient 67 ± 8% des rayons cosmiques tandis que les électrons des rayons cosmiques représentaient 33 ± 8% – environ une répartition 70/30. Ces résultats sont révolutionnaires car c’est la première fois que les origines potentielles des rayons cosmiques sont déterminées. Ils constituent également la preuve la plus définitive à ce jour que les restes de supernova sont la source de rayons cosmiques.

Ces résultats démontrent également que les rayons gamma émis par les protons sont plus fréquents dans les régions interstellaires riches en gaz, tandis que ceux émis par les électrons sont renforcés dans les régions pauvres en gaz. Cela confirme ce que de nombreux chercheurs ont prédit, à savoir que les deux mécanismes travaillent ensemble pour influencer le développement de l’ISM. Elle a dit Le professeur émérite Yasuo Fukui, qui était l’auteur principal de l’étude :

« Cette nouvelle méthode n’aurait pas été possible sans la coopération internationale. [It] Il sera appliqué à davantage de restes de supernova à l’aide du télescope à rayons gamma de nouvelle génération (CTA) (Cherenkov Telescope Array) en plus des observatoires existants, ce qui constituera une avancée majeure dans l’étude de l’origine des rayons cosmiques. »

En plus de diriger ce projet, Fukui travaille à déterminer la distribution du gaz interstellaire depuis 2003 en utilisant Nantan radiotélescope en Observatoire de Las Campanas au Chili et télescope compact australien. Grâce au professeur Gavin Roel et au Dr Sabrina Aeneke de l’Université d’Adélaïde (co-auteurs de l’étude) et à l’équipe HESS, la résolution spatiale et la sensibilité des observatoires gamma ont finalement atteint le point où des comparaisons peuvent être faites entre les deux.

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Pendant ce temps, le co-auteur Dr Hidetoshi Sano de NAOJ a dirigé l’analyse des ensembles de données d’archives de l’observatoire XMM-Newton. À cet égard, cette étude montre également comment la collaboration internationale et le partage de données permettent toutes sortes de recherches de pointe. Combinés à des outils améliorés, à des méthodes améliorées et à de plus grandes opportunités de collaboration, une ère où les percées astrologiques deviennent la norme !

Lecture approfondie : Université de NagoyaEt Journal d’astrophysique

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