image: The detectors are tanks filled with 12 tonnes of pure water, which are used to detect particles from air showers, cascades of secondary particles produced when cosmic rays enter Earth's atmosphere. As they travel through the tanks of water, the secondary particles produce a flash of light caused by the Cherenkov effect. The Pierre Auger Observatory in Argentina is the world's largest cosmic ray detector. It is named after the French physicist who was the first to observe air showers, in 1938. view more
Credit: Céline ANAYA-GAUTIER/CNRS Photothèque
Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques qui traversent notre Univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Ceux de basse énergie proviennent du Soleil ou de notre galaxie, mais lorigine des particules les plus énergétiques restait débattue depuis leur découverte il y a un demi-siècle : sont-elles issues de la Voie lactée ou dobjets extragalactiques éloignés ? La question vient dêtre tranchée grâce à létude de 30 000 particules cosmiques dune énergie un million de fois supérieure à celle des protons accélérés au LHC . Elles ont été détectées entre 2004 et 2016 avec le plus grand observatoire de rayons cosmiques jamais construit, l'observatoire Pierre Auger, en Argentine. Létude des directions darrivée de ces particules montre quà ces énergies, le flux de rayons cosmiques en provenance dune zone du ciel pointant à 120 degrés du centre galactique est environ 6 % plus élevé que si le flux était parfaitement uniforme. Cette direction ne peut pas être associée à des sources potentielles dans le plan de la galaxie ou en son centre. Cest la première preuve convaincante dune origine extragalactique pour ces rayons cosmiques.
Le flux de ces rayons cosmiques très énergétiques (au-delà de 2 joules) est denviron 1 par kilomètre carré et par an . Quand ces rayons entrent en collision avec les molécules de la haute atmosphère, ils créent une cascade de plus de 10 milliards de particules secondaires, appelée gerbe atmosphérique, qui peut s'étendre sur plus de 40 kilomètres carrés quand elle arrive au sol. L'observatoire Pierre Auger détecte certaines de ces particules secondaires (électrons, photons et muons) grâce à un réseau de 1 600 détecteurs des cuves deau pure espacées d'1,5 kilomètre, qui s'étendent sur une surface de 3 000 kilomètres carrés dans la pampa argentine (soit un peu plus que la taille du Luxembourg). En comparant les temps darrivée des particules dans différents détecteurs, on peut déterminer la direction doù provient le rayon cosmique qui a produit la gerbe atmosphérique.
Cette découverte indique clairement une origine extragalactique pour ces particules cosmiques, le motif observé dans le ciel ne pouvant être le fruit du hasard quavec une chance sur cinq millions. Cependant, cette étude ne permet pas encore de localiser précisément les sources. En effet, la région la plus brillante en rayons cosmiques sétend sur une vaste portion du ciel, où le nombre de galaxies est relativement élevé. De plus, le champ magnétique de la Voie lactée dévie les trajectoires de ces particules chargées et brouille les pistes.
Il existe des rayons cosmiques encore plus énergétiques que ceux auxquels cette étude s'attache. Ils ont comme inconvénient dêtre encore plus rares, mais aussi lavantage dêtre moins déviés par le champ magnétique de notre propre galaxie ; leur direction d'arrivée pourrait donc pointer au plus près de leur lieu de production. En 2007, une précédente étude avait pointé une corrélation entre des noyaux actifs de galaxies et les directions darrivée des rayons cosmiques les plus énergétiques alors détectés , mais cette corrélation sest par la suite révélée peu significative. Des études se déroulent actuellement sur une collection bien plus importante de rayons cosmiques ultra-énergétiques, et pourraient apporter des éléments de réponse. En parallèle, un programme damélioration de lobservatoire Pierre Auger est en cours et devrait permettre d'identifier plus clairement ces sources.
400 scientifiques de 18 pays participent à la collaboration Pierre Auger, qui développe et exploite l'observatoire du même nom. Le CNRS est le principal organisme français de financement de l'observatoire. Les laboratoires français qui y contribuent sont :
- lInstitut de physique nucléaire d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud) ;
- le Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (CNRS/UPMC/Université Paris Diderot) ;
- le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (CNRS/Université Grenoble Alpes/ Grenoble INP).
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