Loin, très loin, quelque chose – quelque part – crée des particules avec des quantités folles d’énergie. Quelles qu’elles soient ou d’où qu’elles viennent, ces particules peuvent être n’importe quoi entre 1018 eV et 1020 eV. Étant donné que l’énergie maximale des particules du Grand collisionneur de hadrons du CERN est d’environ 1013 eV, certaines de ces particules sont un million de fois plus énergétiques que tout ce que nous pouvons fabriquer avec l’accélérateur de particules le plus puissant de la planète. Tout simplement, ce sont les particules les plus énergétiques jamais vues dans la nature.

Connues sous le nom de rayons cosmiques à ultra-haute énergie (UHECR), ces particules ont été découvertes en 1962. Ce sont les frères super-énergétiques des rayons cosmiques communs ou de jardin, qui ont été repérés pour la première fois par le scientifique autrichien Victor Hess lors d’une célèbre série de vols audacieux en montgolfière 50 ans plus tôt. Mais alors que nous en savons beaucoup sur les rayons cosmiques réguliers, de quoi sont fabriqués les UHECR, d’où ils viennent dans les cieux et ce qui les accélère restent un mystère.

Heureusement, certains UHECR pleuvent parfois sur la planète Terre. Lorsqu’un tel rayon pénètre dans l’atmosphère, il entre en collision avec des molécules d’air, qui à leur tour frappent en d’autres particules, entraînant un effet de cascade jusqu’au sol. Le résultat est une pluie de particules réparties sur une zone de 5 km de large à la surface de la Terre. Et grâce à l’Observatoire Pierre Auger en Argentine et au Réseau de télescopes en Utah, nous pouvons détecter ces averses et extraire des informations sur les rayons cosmiques eux-mêmes.

Les deux installations se composent d’un réseau de détecteurs de surface – dans le cas de la vis sans fin, 1660 grands barils contenant chacun plus de 12 000 litres d’eau répartis sur 3000 km2. Lorsqu’une particule d’une douche vole dans un détecteur, elle crée une onde de choc électromagnétique captée par des tubes de détection de lumière montés sur les réservoirs du détecteur. Les chercheurs peuvent ensuite combiner ces informations avec les données de 27 télescopes disséminés dans le réseau qui collectent la lumière de fluorescence créée lorsque la cascade excite l’azote dans l’air.

Cette technique combinée donne une mesure précise du flux, de la direction d’arrivée et de l’énergie des UHECR. Et l’année dernière, à la suite de ces travaux, les chercheurs de Pierre Auger ont montré sans équivoque que les rayons cosmiques les plus puissants proviennent de l’extérieur de la Voie Lactée et non de l’intérieur de notre galaxie (Science 357 1266). Étant donné que nous connaissons les rayons cosmiques depuis plus d’un siècle, cette percée peut sembler décevante et un peu tardive. En réalité, cependant, cela reflète le défi gargantuesque auquel les chercheurs sont confrontés. Les rayons cosmiques d’une énergie supérieure à 1020 eV ne se posent – en moyenne – qu’une fois par kilomètre carré sur Terre et par siècle.

Les rayons cosmiques d’une énergie supérieure à 1020 eV ne se posent – en moyenne – qu’une fois par kilomètre carré sur Terre et par siècle

De quoi sont faites les UHECR ?

Les données recueillies au fil des décennies prouvent que les rayons cosmiques de basse énergie – qui sont principalement des protons, des noyaux et des électrons – semblent provenir de toutes les directions du ciel. Les scientifiques attribuent cette propagation aux rayons déviés dans toutes les directions par les champs magnétiques qui imprègnent notre galaxie, ce qui exclut tout espoir de se concentrer directement sur leur source. Les UHECR sont une autre affaire. Ils alimentent si bien les champs magnétiques galactiques qu’ils ne sont déviés que de quelques degrés. ” Nous pouvons les utiliser comme messagers astronomiques pour trouver directement les sources « , explique Ralph Engel, porte-parole de l’Observatoire Pierre Auger.

Lors d’une douche d’air UHECR, l’effet de cascade implique de plus en plus de particules à mesure que la douche traverse l’atmosphère. Cependant, chaque interaction perd de l’énergie, ce qui signifie que le nombre de particules de douche commence à diminuer, seule une petite fraction atteignant le sol. Mais en sachant comment la douche d’air se propage dans l’atmosphère, les chercheurs d’Auger et de Telescope Array peuvent simuler les interactions des particules pour en déduire où, dans l’atmosphère, la douche était à son apogée. Et en combinant la valeur de pic de douche avec l’énergie de douche mesurée, ils peuvent déduire la masse – et donc l’identité – des UHECR.

Lorsque les scientifiques de Auger ont appliqué cette méthode, ils s’attendaient à ce que les UHECR à la plus haute énergie soient simplement constitués de protons. Au lieu de cela, ils ont trouvé quelque chose d’étrange. Comme l’énergie des UHECR est passée de 1018 eV à 1020 eV, la masse a augmenté de même. ”Nous commençons avec beaucoup de protons autour de 1019 eV », explique Engel. « Tout à coup, il y a un changement radical de l’hélium, puis des éléments de l’ordre du carbone et de l’azote. »

L’augmentation de la masse de l’UHECR à mesure que les rayons deviennent plus énergétiques est un problème pour les expérimentateurs et les théoriciens. Ce qui est délicat pour les scientifiques de Auger, c’est que les UHECR plus lourds sont plus déviés par les champs magnétiques de la Voie Lactée, ce qui rend encore plus difficile de déterminer leur source. Pour des théoriciens comme Vasiliki Pavlidou de l’Université de Crète, en revanche, le problème est plus fondamental: il pourrait remettre en question toute notre compréhension de la physique des hautes énergies. « Si les particules primaires aux énergies les plus élevées deviennent effectivement plus lourdes, il y a quelques coïncidences inconfortables que nous devons accepter”, dit-elle.

Selon la sagesse conventionnelle, les rayons cosmiques au-dessus d’une certaine énergie perdent rapidement de l’énergie lorsqu’ils interagissent avec les photons du fond micro-onde cosmique, ce qui signifie que l’énergie des UHECR vues sur Terre devrait être limitée à environ 1020 eV. Cependant, si les particules observées deviennent plus lourdes d’énergie, alors le processus astrophysique qui accélère les rayons cosmiques en premier lieu – quel qu’il soit – doit fonctionner à proximité de son énergie maximale. (Les particules plus légères seront alors tout simplement trop chétives pour atteindre ces hautes énergies.) La limite d’énergie UHECR de 1020 eV est donc régie par deux processus complètement indépendants: comment les particules sont accélérées à leur source extragalactique et comment elles perdent de l’énergie lorsqu’elles voyagent dans l’espace interstellaire. C’est la première coïncidence étrange.

La deuxième coïncidence concerne les rayons cosmiques de l’intérieur de notre galaxie et ceux qui viennent d’ailleurs. Il semble que les rayons cosmiques galactiques cessent d’être observés à 3 × 1018 eV – exactement la même énergie à laquelle les rayons cosmiques extragalactiques commencent à s’alourdir avec l’énergie. C’est étrange étant donné que les rayons cosmiques galactiques et extragalactiques proviennent de sources très différentes (même si nous ne savons toujours pas d’où proviennent ces derniers).

Étant donné que ces deux coïncidences dépendent de processus et de propriétés qui ne sont même pas vaguement liés, pourquoi se produisent-elles aux mêmes échelles d’énergie? Une des raisons pourrait être que ces coïncidences n’existent tout simplement pas. Ce serait certainement le cas si les rayons cosmiques extragalactiques ne s’alourdirent pas d’énergie, mais sont toujours des protons ; les coïncidences disparaîtraient alors. En effet, Pavlidou et son collègue de Crète Theodore Tomaras estiment que les UHECR pourraient être principalement des protons, le seul hic étant qu’il devrait y avoir un nouveau phénomène physique non découvert qui affecte les douches d’air au-dessus d’une certaine énergie.

Cela peut sembler bizarre, mais il y a de bonnes raisons de ne pas rejeter purement et simplement l’idée. Les physiciens modélisent l’interaction des particules dans la douche d’air en fonction de leur compréhension du Modèle standard de la physique des particules, mais il n’a jamais été testé (même au LHC) à des énergies aussi élevées. De plus, ces simulations sont loin d’expliquer toutes les propriétés de la douche d’air observées. Vous avez donc deux choix désagréables. Soit les rayons cosmiques sont des protons et la nouvelle physique les fait paraître lourds. Ou les UHECR sont des particules lourdes et le modèle standard doit être sérieusement modifié.

Mais si les UHECR sont des protons, déterminer comment les protons pourraient se faire passer pour des particules plus lourdes nécessitera une réflexion alternative. Une possibilité intéressante est que la collision initiale du proton produise un mini trou noir, dont l’existence est prédite par des théories de grandes dimensions supplémentaires. « Pour le bon nombre de telles dimensions, ils peuvent en fait avoir la masse souhaitée”, explique Tomaras. « Les mini-trous noirs se désintègreraient instantanément en un grand nombre de hadrons partageant l’énergie du trou noir, ce qui rendrait le proton primaire « lourd ». »

En regardant le ciel sous l’eau

Une autre alternative serait d’invoquer l’existence de phases encore non découvertes de la chromodynamique quantique (QCD) – la théorie qui décrit comment les quarks sont liés à l’intérieur des protons, des neutrons et d’autres hadrons. Tomaras admet cependant qu’il s’agit de scénarios ”exotiques ». ”Nous n’avons pas encore découvert de grandes dimensions supplémentaires », dit-il, « et nous avons des raisons de soupçonner que la section de production des mini trous noirs sera très probablement trop petite pour servir notre objectif et, de plus, nous n’avons pas encore une compréhension quantitative robuste des phases de QCD. »Cependant, si les surfaces de preuve des UHECR sont des protons, Tomaras pense qu’il est ”presque inévitable » que de tels phénomènes exotiques se produisent dans la nature.

Qu’est-ce qui les accélère ?

En laissant de côté le manque de certitude entourant ce que sont les UHECR, la question qui compte vraiment est: qu’est-ce qui les fait? Ici, l’image est encore plus confuse. Jusqu’à récemment, certains physiciens exploraient des idées exotiques connues sous le nom de ”modèles descendants » qui vont au-delà du Modèle standard. L’idée est que des objets inconnus à haute énergie tels que la matière noire super lourde – avec des masses 1012 fois plus grandes que la masse de protons – se décomposeraient en particules UHECR. Le hic avec ces modèles est qu’ils suggèrent que les rayons cosmiques devraient être dominés par des photons et des neutrinos, alors que les données de l’Observatoire Pierre Auger, du Réseau de télescopes et d’autres suggèrent des particules principalement chargées. ”Plus personne n’essaie de construire des modèles exotiques de la configuration classique de haut en bas », explique Engel.

Bien que le scénario exotique de la matière noire n’ait pas été totalement exclu comme source d’UHECR, les chercheurs envisagent plus sérieusement si des événements astrophysiques extrêmement violents pourraient être responsables de ces énergies élevées. Des pulsars, des sursauts gamma, des jets de noyaux galactiques actifs, des galaxies stellaires et d’autres ont été proposés, l’opinion populaire se balançant entre eux.

Roberto Aloisio de l’Institut scientifique Gran Sasso en Italie estime que les résultats de Auger, suggérant des particules UHECR plus lourdes aux énergies les plus élevées, constituent un développement important. « Il est plus facile d’accélérer les noyaux lourds que les protons car les mécanismes d’accélération ressentent toujours la charge électrique des particules – et les noyaux plus lourds que les protons ont toujours une charge électrique plus importante”, explique-t-il. En conséquence, Aloisio suggère que Auger pointe vers les pulsars comme source d’UHECR, qui produisent des éléments plus lourds et pourraient conduire ces particules à l’énergie requise (Prog. Théor. Exp. Phys. 2017 12A102).

Actuellement, cependant, il existe un candidat qui est en avance sur tous les autres en tant que source des UHECR. ”Si je devais parier, je mettrais définitivement tout mon argent dans les galaxies stellaires », explique Luis Anchordoqui de la City University of New York, membre de l’équipe de 500 Augers. Les galaxies Starburst sont les plus lumineuses de l’univers, formant des étoiles à un rythme effréné. Comme Anchordoqui et ses collègues l’ont émis pour la première fois en 1999, les galaxies stellaires voisines accélèrent les noyaux vers des énergies ultra-élevées grâce à un effort collectif, combinant de nombreuses explosions de supernovae dans la région dense centrale de la galaxie pour créer un « super vent” à l’échelle galactique de gaz sortant.

À mesure que ce super vent se dilate, il devient moins dense, ralentissant le flux jusqu’à la vitesse subsonique – en fait, stoppant la progression du super vent lui-même. « Cela produit une onde de choc gigantesque, similaire à celle produite après l’explosion d’une bombe nucléaire, mais beaucoup plus puissante”, explique Anchordoqui.

De manière cruciale, ce processus d’accélérateur de choc diffusif, ou DSA, peut entraîner des particules de gaz à une vitesse proche de celle de la lumière. Les particules gagnent progressivement de l’énergie en étant confinées par des champs magnétiques et en traversant et recroisant le front de choc. En faisant le tour de l’accélérateur astrophysique, ces petites augmentations d’énergie s’accumulent jusqu’à ce que la particule atteigne sa vitesse d’échappement et s’envole dans l’espace. Anchordoqui a récemment revisité les travaux dans le contexte des dernières découvertes d’Auger (Phys. Rév. D 97 063010).

La DSA, qui ne se produit pas seulement dans les galaxies à étoile, est souvent invoquée pour expliquer l’accélération des particules proposée dans les sursauts gamma, les noyaux galactiques actifs et d’autres sources candidates UHECR. Pourtant, début 2018, Kohta Murase et ses collaborateurs de la Penn State University ont montré qu’un mécanisme d’accélération différent pourrait être en jeu (Phys. Rév. D 97 023026).

Dans leur modèle, les rayons cosmiques ordinaires existant dans une galaxie particulière reçoivent un énorme regain d’énergie par de puissants jets de noyaux galactiques actifs, grâce à un mécanisme connu sous le nom d’accélération de cisaillement discrète. Il s’agit d’un processus complexe impliquant l’interaction entre la particule, les perturbations locales du champ magnétique et la différence de vitesse – ou « cisaillement” – des différentes parties de l’écoulement du jet et du cocon ambiant. Mais au final, l’effet est similaire à celui de l’AVD. ”Les rayons cosmiques gagnent de l’énergie en se dispersant d’avant en arrière autour de la limite de cisaillement », explique Murase, après quoi ils s’échappent à travers les lobes radio que l’on trouve souvent à l’extrémité des jets.

Encore plus récemment, Murase et Ke Fang de l’Université du Maryland (Nature Phys. 14 396) a revisité une idée selon laquelle de puissants jets de trous noirs dans des agrégats de galaxies pourraient alimenter les UHECR. Pour commencer, ils ont comparé leur modèle aux données de flux et de composition UHECR observées par Auger, révélant une bonne correspondance avec les observations expérimentales. Mais plus intriguant, ils ont montré qu’en détaillant comment les UHECR, les neutrinos et les rayons gamma pouvaient tous être produits par des noyaux galactiques actifs, ils pouvaient expliquer les données collectées simultanément par l’Observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique, le Télescope spatial à rayons gamma Fermi et Auger. ”La plus belle possibilité est que les trois particules messagères proviennent de la même classe de sources », ajoute Murase.

D’où viennent-ils ?

Si nous savions d’où viennent les UHECR dans le ciel, la tâche de choisir quelle source les produisait serait beaucoup plus facile. Mais il n’y a pas de « facile” dans la science des rayons cosmiques. Intarissables, les scientifiques de Auger et de Telescope Array utilisent des catalogues d’objets candidats potentiels qui pourraient accélérer les UHECR, puis tentent de les faire correspondre aux directions d’arrivée des rayons cosmiques qu’ils observent. À mesure que de plus en plus de données arrivent, les deux installations ont chacune identifié une zone d’où une grande partie de ces rayons semble provenir.

Dans le cas de Auger, cette zone contient un certain nombre de galaxies stellaires, mais aussi Centaurus A – la galaxie géante la plus proche de la Voie Lactée qui héberge un noyau galactique actif. Quant au Réseau de télescopes, son « point chaud”, situé juste sous la poignée de la constellation majeure d’Ursa, est une indication encore plus claire d’une direction d’arrivée, avec un quart des signaux UHECR détectés provenant d’un cercle de 40 ° qui ne représente que 6% du ciel. Mais bien que la galaxie stellaire M82 réside dans le point chaud, à environ 12 millions d’années-lumière d’Ursa Major, divers autres types d’objets dans cette parcelle de ciel pourraient également être un lieu de naissance UHECR.

« La corrélation est dans la direction de M82 si vous voulez dire que ce sont des galaxies stellaires, ou c’est la direction de Centaurus A, si vous voulez qu’il s’agisse de noyaux galactiques actifs”, explique Engel. « Bien que les données soient mieux corrélées avec les galaxies stellaires, cela ne signifie pas qu’elles en seront les sources. »

Tout comme nous ne savons pas ce que sont les UHECR ni ce qui les accélère, l’endroit où ils proviennent dans le ciel est également dissimulé. Cependant, il ne faudra peut-être pas longtemps avant de trouver la réponse. Les travaux de modernisation de l’Observatoire Pierre Auger et du Réseau de télescopes sont en cours, tandis que les chercheurs explorent de nouvelles installations, telles que la Sonde des satellites d’Astrophysique Multi-Messagers Extrêmes (POEMMA).

Le mystère de la masse et de l’origine de ces particules énigmatiques pourrait, d’ici une décennie, enfin être mis à nu.