La source des rayons cosmiques

On inaugure ce mois-ci l’observatoire Auger, le détecteur le plus vaste jamais conçu. Ses premières observations éclairent déjà l’une des grandes énigmes de l’astrophysique : l’origine des particules cosmiques de très haute énergie.

Ce sont les particules les plus puissantes de l’Univers : leur énergie extrême dépasse les 1020, soit des centaines de milliards de milliards, électronvolts * (eV). En comparaison, les particules étudiées dans les plus grands accélérateurs, y compris celles attendues au tout nouveau LHC à Genève, sont dix millions de fois moins énergétiques.

Pourtant, le mystère entourant la nature et l’origine des « rayons cosmiques de très haute énergie », c’est ainsi qu’on les nomme, constitue l’une des grandes énigmes en astrophysique. D’où viennent-ils ? Que sont-ils ? Des protons, des noyaux d’atomes lourds, des particules exotiques ? Comment atteignent-ils des énergies aussi extrêmes ? Autant de questions qui restent ouvertes.

Particules secondaires

C’est pour tenter d’y répondre que le plus vaste observatoire astronomique du monde, l’observatoire Pierre-Auger, a été déployé dans la Pampa argentine, par 35º de latitude sud et 65º de longitude ouest, au pied de la cordillère des Andes. Sa construction vient de s’achever. Au final, c’est un ensemble de 1 600 capteurs et 24 télescopes répartis sur 3 000 kilomètres carrés, soit un quart de l’Ile-de-France, que l’on inaugure ce mois-ci. Pas moins de 450 physiciens de 17 pays participent à ce défi tant scientifique que technologique.

C’est que les rayons cosmiques de très haute énergie sont très rares puisque à peine un par siècle et par kilomètre carré atteint la surface de la Terre. De plus on ne les détecte pas directement : arrivés au sommet de l’atmosphère, ils interagissent violemment avec celle-ci et produisent une cascade de milliards de particules. Et ce n’est qu’à travers cette cascade de particules secondaires qui bombardent le sol que l’on peut espérer découvrir la nature et la provenance du rayon cosmique qui l’a déclenchée, ainsi que la source de son énergie extrême.

Revenons un instant sur la découverte de ces mystérieux messagers qui traversent l’Univers. En 1912, à bord de son ballon à hydrogène et à 5 000 mètres d’altitude, l’Autrichien Victor Hess découvre qu’un flux de particules chargées venu de l’espace pénètre l’atmosphère terrestre.



Ensuite, en 1938, grâce à des détecteurs installés dans les Alpes, le Français Pierre Auger enregistre l’arrivée de particules simultanément à différents endroits : c’est la première observation d’une cascade atmosphérique de particules secondaires, nées de la collision de la particule initiale avec les molécules de l’atmosphère. Il évalue à 1015 eV, l’énergie de l’événement. C’est à l’époque le rayon cosmique le plus puissant connu. Le seuil de 1020 eV est dépassé en 1962 : le premier rayon cosmique de très haute énergie est en effet détecté par les capteurs d’un réseau déployé au Nouveau Mexique [1] .

Mais plus leur énergie est élevée, plus les rayons cosmiques sont rares. Et ces nouvelles données ne dissipent guère le mystère de leur origine. De nombreuses hypothèses sont avancées, mais aucune n’est satisfaisante.

En revanche, en 1966, les rayons cosmiques font l’objet d’une prédiction théorique très intéressante. L’existence d’un fond diffus cosmologique, héritage du premier rayonnement émis par l’Univers 380 000 ans après le Big Bang, vient d’être prouvée un an plus tôt. L’Américain Kenneth Greisen d’un côté et les Russes Georgiy Zatsepin et Vadim Kuz’min, de l’autre, remarquent que les rayons cosmiques doivent forcément interagir avec les photons de ce fond diffus.

Or une telle interaction devrait réduire considérablement leur énergie. Ainsi des rayons cosmiques voyageant sur des distances intergalactiques ne devraient jamais dépasser les 60 X 1018 eV. Un seuil connu aujourd’hui sous le nom de limite « GZK ». Si cette prédiction est juste, une particule qui atteint la Terre avec une énergie supérieure à 60 X 1018 eV proviendrait d’une région relativement proche, c’est-à-dire située à moins de 500 millions d’années-lumière.

Quand cette prédiction a été énoncée, aucune expérience n’était capable de la tester de manière fiable, et cela jusqu’au début des années 1990. Au milieu de cette décennie, deux expériences, très différentes dans leur principe, Fly’s Eye aux États-Unis et Agasa au Japon, y parvinrent enfin. Mais leurs résultats étaient contradictoires.

D’un côté Fly’s Eye n’avait enregistré que quelques événements au-delà de 100 X 1018 eV (dont un, record, dépassant les 300 X 1018 eV), ce qui est cohérent avec la limite GZK, étant donné que les sources susceptibles d’accélérer des particules à un tel niveau dans notre voisinage sont très rares. De l’autre, selon l’expérience Agasa, le spectre des rayons cosmiques semblait se prolonger sans changement notable, y compris aux énergies les plus hautes. Cette contradiction a provoqué un intense débat.
3 000 kilomètres carrés

D’autant plus qu’un autre point de désaccord existait entre les deux expériences. Agasa observait plusieurs agrégats de deux ou trois rayons cosmiques de 40 X 1018 eV provenant de la même direction, alors que Fly’s Eye ne voyait rien de tel. Mais elles s’accordaient au moins sur une chose : aucune source astrophysique au voisinage de notre galaxie n’était visible dans la direction d’arrivée des rayons.

Avec seulement une grosse dizaine d’événements détectés au-delà de 100.1018 eV, les chances d’avancer sur ces questions restaient cependant très minces. Seule une forte augmentation des mesures, et donc un dispositif bien plus étendu pouvaient donner l’espoir de lever ces contradictions. Jim Cronin, Prix Nobel de physique, et Alan Watson, de l’université de Leeds, ont alors entrepris d’explorer les moyens d’y parvenir.

En 1992, au cours d’une réunion à Paris sur le campus de Jussieu, les deux chercheurs présentent leur projet, le futur observatoire Auger. Les grandes lignes y sont édifiées. L’année suivante le concept hybride, qui associe les deux techniques de détection utilisées par Fly’s Eye et Agasa au sein du même capteur, est mis au point.

Et, en 1995, un document de 250 pages précise les objectifs scientifiques et les choix techniques pour la construction. Il décrit un observatoire constitué de deux dispositifs expérimentaux : un réseau de 1 600 capteurs Cherenkov (lire « Des cuves par milliers », ci-dessous), répartis sur un maillage de triangles de 1,5 kilomètre de côté, couvre un total de 3 000 kilomètres carrés. Ce déploiement est nécessaire pour maximiser les chances d’enregistrer les particules d’une même cascade réparties sur de très grandes surfaces et remonter ainsi jusqu’au rayon cosmique initial.

Ce réseau fonctionne en permanence. Un ensemble de 24 télescopes à fluorescence (lire « Lumière fluorescente » ci-contre), installés sur 4 sites du maillage triangulaire, dont les mesures sont plus précises, permet de mieux calibrer l’ensemble des mesures. De plus mesurer le même phénomène par deux instruments différents aide à mieux comprendre les éventuels biais expérimentaux. Tel est le projet sur le papier.

Restait à le mettre en oeuvre, et pour cela satisfaire des critères exigeants et parfois contradictoires : par exemple, couvrir la plus grande surface possible sans pour autant effrayer nos agences de financement ; trouver un site au ciel pur, en altitude, loin de toute pollution, et néanmoins facile d’accès et riche en infrastructures ; et bien sûr convaincre une communauté scientifique internationale aussi large que possible sur un projet très risqué [2] .

Cette même année 1995, Ken Gibbs, de l’université de Chicago, et moi-même sommes partis à la recherche du site idéal avec un cahier des charges très précis. En novembre, l’Argentine est choisie pour accueillir l’observatoire lors d’une réunion fondatrice au siège de l’Unesco à Paris. Et le document final est remis aux agences de financement fin 1996 : le prix à payer s’élève à 50 millions de dollars.
27 événements

Trois ans plus tard, en 1999, le financement en grande partie assuré, la construction commence. Et après quatre ans d’installation, de tests et de validation de nos prototypes, une centaine de cuves sont opérationnelles. L’observatoire enregistre ses premières données exploitables début 2004. Il nous a donc fallu un peu plus de dix ans pour passer de l’idée d’un détecteur grand comme un département à sa réalisation.

Mais nos efforts sont vite récompensés. Dès juillet 2005, les analyses préliminaires des premières données, présentées à la Conférence internationale sur les rayons cosmiques de Pune en Inde, prouvent la pertinence de l’observatoire Auger, avec un rythme de détection trente fois plus élevé que les expériences précédentes. Et, en novembre 2007, alors que l’installation du réseau de surface n’est pas encore achevée, les données accumulées suffisent déjà à publier dans le magazine Science des résultats remarquables [3] .

L’observatoire a alors détecté 27 événements d’énergie supérieure à 60 1018 eV, c’est-à-dire dépassant la limite GZK. Ces données et les plusieurs milliers d’enregistrements de rayons cosmiques de moindre énergie, mais tout de même au-dessus de 3 X 1018 eV, ont conduit à des observations fondamentales.

En premier lieu, les 27 événements ne sont pas répartis au hasard sur le ciel : pour 20 d’entre eux, il existe dans un rayon de 3 degrés autour de leur direction d’arrivée une galaxie active située à moins de 300 millions d’années-lumière de la Terre, ce qui, à l’échelle de l’Univers, correspond à notre proche banlieue. Une galaxie dite « active » possède un noyau central extrêmement brillant - on parle d’un noyau actif de galaxie. Or, ces objets sont les sources de lumière stables les plus puissantes de l’Univers et le siège de phénomènes mettant en jeu des énergies gigantesques.

Cette découverte a des conséquences. Tout d’abord, elle démontre que l’origine des rayons cosmiques les plus énergétiques, bien que proche, se situe hors de notre galaxie. Ensuite, elle conforte l’une des hypothèses avancées quant au mécanisme qui leur confère une telle énergie.

Celle selon laquelle les rayons cosmiques correspondraient à des particules chargées et au repos, accélérées par les champs électriques et magnétiques colossaux entourant certains objets ou phénomènes astrophysiques comme les trous noirs avaleurs de galaxies, les jeunes étoiles à neutrons ou les collisions de galaxies. Dans ces environnements, les particules en question seraient vraisemblablement des protons ou des noyaux de fer.

La plupart des rayons cosmiques de très haute énergie seraient donc issus de sources astrophysiques dites proches, probablement des galaxies actives, ou, tout au moins, des objets ayant une distribution similaire dans le ciel. Un rayon angulaire de 3 degrés sur le ciel est en effet très vaste - pour fixer les idées, le diamètre de la pleine lune mesure 0,5 degré. De nombreux objets peuvent s’y trouver, et la proximité des galaxies actives ne suffit pas à les désigner comme les sources certaines des rayons cosmiques.
Prédiction vérifiée

La mesure du flux de rayons cosmiques en fonction de l’énergie apporte aussi un nouvel éclairage. Elle montre une chute brusque au-delà de 60 X 1018 eV, qui coïncide avec la limite GZK. Ainsi, avant même l’inauguration officielle de l’observatoire, la première collection d’événements commence non seulement à lever le voile sur l’origine de ces fameuses particules, mais apporte la première observation indiscutable de la limite GZK.

Une nouvelle fenêtre sur l’Univers vient de s’ouvrir. À l’instar de la lumière en astronomie classique, les rayons cosmiques très énergétiques pourraient faire figure de nouveaux messagers pour une astronomie alternative. La construction d’un observatoire encore plus grand dans l’hémisphère Nord pour couvrir l’ensemble du ciel, et l’extension de l’observatoire Auger dans le sud pour multiplier les événements détectés devraient nous y aider dans les cinq prochaines années.
source:la recherche