Des chercheurs du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (IN2P3/CNRS, Université Grenoble 1, Institut Polytechnique de Grenoble.) ont contribué aux résultats d’une expérience qui a montré l’origine extragalactique des rayons cosmiques d’énergie extrême qui bombardent la Terre. Les noyaux actifs de galaxie seraient les sources les plus plausibles de ces rayons. Les résultats sont publiés dans la revue Science du 9 novembre.
La Terre est en permanence bombardée de rayons apportant des particules produites par la désintégration de matière dans l’Univers. Certaines particules en arrivant sur l’atmosphère terrestre de désintègrent en cascades de particules nouvelles qui « pleuvent » sur notre planète. Le physicien français Pierre Auger (1899-1993) a été le premier à observer, en 1938, les gerbes atmosphériques produites par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère terrestre.
1600 capteurs
Certaines particules sont extrêmement rares et bien que leur cascade puisse s’étendre sur plus de 40 kilomètres carrés en arrivant au sol, il est difficile de les capter. C’est pourquoi a été construit en Argentine l’Observatoire Pierre Auger, le plus grand instrument consacré à l’étude des rayons cosmiques. Ce grand instrument regroupe au sein de multiples collaborations, des équipes formées sur des thèmes, les chercheurs de 17 pays et de plus de 70 institutions. Une partie importante sont des chercheurs du CNRS et des universités françaises : de cinq laboratoires de l’IN2P3, Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules et d’un laboratoire de l’INSU, l’Institut National des Sciences de l’Univers).
Les rayons cosmiques sont des protons ou des noyaux Pour les capter il fallait construire un très large capteur. C’est une surface de 3000 kilomètres carrés qui est couverte par les 1 600 détecteurs de particules de l’Obsrvatoire Pierre Auger, espacés de 1,5 kilomètre. L’Observatoire a détecté plus d’un million de rayons depuis le démarrage de la prise de données en janvier 2004. Seuls 81 rayons cosmiques ont une énergie supérieure à 40.1018 électron-Volts (40 EeV), seuil à partir duquel leur direction d’arrivée pointe raisonnablement vers leur source. Vingt sept de ces 81 rayons ont une énergie supérieure à 60 EeV. « Des rayons d’énergie plus faibles peuvent en effet être déviés par les champs magnétiques » explique Corinne Bérat, chargée de recherche au Laboratoire grenoblois.
Ejection de matière près de trous noirs
Les chercheurs ont découvert que la plupart de ces 27 rayons cosmiques d’énergie extrême pointent vers les positions des noyaux actifs de galaxies les plus proches, à moins de quelques centaines de millions d’années lumière de la Terre. La plupart des galaxies ont en leur centre un trou noir super massif , représentant plusieurs millions de fois la masse du soleil. Ce trou noir, qui en raison de sa très grande force de gravité, dévore la matière alentour en quantités gigantesques.
Mais certaines galaxies ont un noyau extrêmement brillant, « un noyau actif », des objets qui sont les sources de lumière les plus puissantes de l’Univers. En effet, l’effondrement vers le trou noir central des gaz, de la poussière et des étoiles de la galaxie hôte s’accompagne d’émissions spectaculaires de matière sous forme de jets de milliers de milliards de kilomètres de longueur. Les rayons cosmiques pourraient être le produit de collisions dans ces jets monumentaux. La matière y est accélérée à une vitesse proche de la lumière au point de pouvoir venir jusqu’à nous. « Le mécanisme d’accélération de ces particules n’est pas connu » explique Corinne Bérat. Les particules sont accélérées à une énergie dix millions de fois plus grande que les énergies que peuvent produire les accélérateurs comme le LHC ( Grand collisionneur de Hadrons) qui entrera en service au CERN dans quelques mois.
Une nouvelle astronomie?
Les rayons cosmiques très énergétiques étudiés à l’Observatoire Pierre Auger, ouvrent une fenêtre sur l’Univers proche. L’astronomie traditionnelle étudie des données transmises par la lumière. L’étude des rayons cosmiques venant probablement des noyaux actifs de galaxies offre un autre accès à la connaissance de la matière ;
« Nous avons un résultat, mais nous avons encore de nouvelles hypothèses. Le programme va durer encore une vingtaine d’années » explique Corinne Bérat.
Les chercheurs du laboratoire grenoblois participent à plusieurs tâches dans la collaboration sur l’Observatoire pierre Auger. Certains analysent les données très nombreuses en provenance d’Argentine, d’autres suivent le comportement de l’installation, d’autres réalisent des tests alors que d’autres encore cherchent de nouvelles méthodes d’investigation, éventuellement pour un futur observatoire qui serait installé au Colorado.
Les travaux publiés dans Science sont réalisés par les laboratoires suivants : Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (IN2P3/CNRS, Université Grenoble 1, Institut Polytechnique de Grenoble.)
Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IN2P3/CNRS, Université Paris Sud-11) – Laboratoire Astroparticule et Cosmologie (IN2P3/CNRS, Université Paris 7, CEA, Observatoire de Paris)
– Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (IN2P3/CNRS, Université Paris Sud-11)
– Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Énergies (IN2P3/CNRS, Universités Paris 6 et 7)
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– Observatoire des Sciences de l’Univers de Besançon (INSU/CNRS, Université de Besançon