Une source accélérant les rayons cosmiques galactiques vers une énergie sans précédent découverte au centre de la Voie Lactée.

Initialement publié le 19.03.2016, republié ici.

Le centre de notre galaxie abrite de nombreux objets capables de produire des rayons cosmiques de haute énergie, incluant, en particulier, un résidu de supernova, une nébuleuse de pulsar et un amas compact d’étoiles massives. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation du CEA.
Depuis plus de dix ans, l’observatoire H.E.S.S. en Namibie, dirigé par une collaboration internationale de 42 institutions dans 12 pays, a cartographié le centre de notre galaxie en rayons gamma à très haute énergie. Ces rayons gamma sont produits par les rayons cosmiques de la région la plus profonde de la Galaxie. Une analyse détaillée des dernières données du H.E.S.S., publié le 16 Mars 2016 dans Nature, révèle pour la première fois une source de ce rayonnement cosmique à des énergies jamais observées auparavant dans la Voie Lactée : le trou noir supermassif au centre de la Galaxie, susceptible d’accélérer les rayons cosmiques à des énergies 100 fois plus grandes que celles obtenues au plus grand accélérateur terrestre de particules, le LHC du CERN.

La Terre est constamment bombardée de particules à haute énergie (protons, électrons et noyaux atomiques) d’origine cosmique, particules qui constituent ce que l’on appelle le “rayonnement cosmique”. Ces “rayons cosmiques” sont chargés électriquement, et sont donc fortement déviés par les champs magnétiques interstellaires qui envahissent notre galaxie. Leur chemin à travers le cosmos est randomisé par ces déviations, rendant impossible l’identification directe des sources astrophysiques responsables de leur production. Ainsi, depuis plus d’un siècle, l’origine des rayons cosmiques demeure l’un des mystères les plus durables de la science.

Heureusement, les rayons cosmiques interagissent avec la lumière et le gaz à proximité de leurs sources, produisant des rayons gamma. Ces rayons gamma se déplacent en lignes droites, non réfléchies par les champs magnétiques, et peuvent donc remonter à leur origine. Lorsqu’un rayon gamma à très haute énergie atteint la Terre, il interagit avec une molécule dans la haute atmosphère, produisant une pluie de particules secondaires qui émettent une courte impulsion de “lumière Tcherenkov”. En détectant ces éclairs de lumière à l’aide de télescopes équipés de grands miroirs, de photodétecteurs sensibles et d’une électronique rapide, plus de 100 sources de rayons gamma à très haute énergie ont été identifiées au cours des trois dernières décennies. L’observatoire H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) en Namibie représente la dernière génération de ces réseaux de télescopes. Il est exploité par des scientifiques de 42 institutions réparties dans 12 pays, avec des contributions majeures du MPIK Heidelberg (Allemagne), du CEA et du CNRS (France).

Aujourd’hui, nous savons que des rayons cosmiques dont l’énergie atteint environ 100 teraelectronvolts (TeV)1 sont produits dans notre galaxie, par des objets tels que les restes de supernova et les nébuleuses pulsar du vent. Les arguments théoriques et les mesures directes des rayons cosmiques atteignant la Terre indiquent cependant que les usines de rayons cosmiques de notre galaxie devraient être capables de fournir des particules jusqu’ à une petaelectronvolt (PeV)2 au moins. Bien que de nombreux accélérateurs multi-TeV aient été découverts ces dernières années, la recherche des sources des rayons cosmiques Galactiques les plus énergétiques a jusqu’ à présent échoué.

Des observations détaillées de la région du centre Galactique, faites par H.E.S.S. au cours des dix dernières années, et publiées aujourd’hui dans la revue Nature, fournissent enfin des indications directes pour de telles accélérations des rayons cosmiques PeV. Au cours des trois premières années d’observation, H.E.S.S. a mis au jour une source ponctuelle très puissante de rayons gamma dans la région du centre galactique, ainsi qu’une émission diffuse de rayons gamma provenant des nuages moléculaires géants qui l’entourent dans une région d’environ 500 années-lumière. Ces nuages moléculaires sont bombardés par des rayons cosmiques se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, qui produisent des rayons gamma par leurs interactions avec la matière dans les nuages. Une coïncidence spatiale remarquablement bonne entre les rayons gamma observés et la densité du matériau dans les nuages indique la présence d’un ou plusieurs accélérateurs de rayons cosmiques dans cette région. Cependant, la nature de la source restait un mystère.

Des observations plus profondes obtenues par H.E.S.S. entre 2004 et 2013 jettent un éclairage nouveau sur les processus qui alimentent les rayons cosmiques dans cette région. Selon Aion Viana (MPIK, Heidelberg),”la quantité sans précédent de données et les progrès réalisés dans les méthodologies d’analyse nous permettent de mesurer simultanément la distribution spatiale et l’énergie des rayons cosmiques”. Avec ces mesures uniques, les scientifiques du H.E.S.S. sont pour la première fois capables d’identifier la source de ces particules : “Quelque part dans les 33 années-lumière centrales de la Voie Lactée, il existe une source astrophysique capable d’accélérer les protons vers des énergies d’environ un petaelectronvolt, en continu pendant au moins 1000 ans”, dit Emmanuel Moulin (CEA, Saclay). En analogie avec le “Tevatron”, le premier accélérateur construit par l’homme qui a atteint des énergies de 1 TeV, cette nouvelle classe d’accélérateur cosmique a été surnommée “Pevatron”. “Avec H.E.S.S. nous sommes maintenant en mesure de suivre la propagation des protons PeV dans la région centrale de la Galaxie “, ajoute Stefano Gabici (CNRS, Paris).

Le centre de notre galaxie abrite de nombreux objets capables de produire des rayons cosmiques à haute énergie, incluant, en particulier, un reste de supernova, une nébuleuse pulsar, et un amas compact d’étoiles massives. Cependant, “le trou noir super-massif situé au centre de la Galaxie, appelé Sgr A*, est la source la plus plausible des protons PeV”, explique Felix Aharonian (MPIK, Heidelberg et DIAS, Dublin), ajoutant que, “plusieurs régions d’accélération possibles peuvent être envisagées, soit à proximité immédiate du trou noir, soit plus loin, là où une fraction du matériau tombant dans le trou noir est rejetée dans l’environnement, initiant ainsi l’accélération des particules.”

La mesure de l’émission gamma du H.E.S.S. peut être utilisée pour déduire le spectre des protons qui ont été accélérés par le trou noir central – ce qui révèle que Sgr A* accélère très probablement les protons aux énergies PeV. Actuellement, ces protons ne peuvent pas tenir compte du flux total des rayons cosmiques détectés sur Terre. “Si, toutefois, notre trou noir central était plus actif dans le passé “, affirment les scientifiques,” alors il pourrait bien être responsable de la majeure partie des rayons cosmiques Galactiques qui sont observés aujourd’hui sur la Terre”. Si vrai, cela influencerait de façon spectaculaire le débat vieux de cent ans sur l’origine de ces particules énigmatiques.

Source : https://www.sciencedaily.com/releases/2016/03/160317095013.htm

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Le billet ci-dessus est reproduit à partir de documents fournis par le CEA. Note : Le contenu et la longueur des documents peuvent être modifiés.

Référence du Journal:

A. Abramowski, F. Aharonian, F. Ait Benkhali, A. G. Akhperjanian, E. O. Angüner, M. Backes, A. Balzer, Y. Becherini, J. Becker Tjus, D. Berge, S. Bernhard, K. Bernlöhr, E. Birsin, R. Blackwell, M. Böttcher, C. Boisson, J. Bolmont, P. Bordas, J. Bregeon, F. Brun, P. Brun, M. Bryan, T. Bulik, J. Carr, S. Casanova, N. Chakraborty, R. Chalme-Calvet, R. C. G. Chaves, A. Chen, M. Chrétien, S. Colafrancesco, G. Cologna, J. Conrad, C. Couturier, Y. Cui, I. D. Davids, B. Degrange, C. Deil, P. deWilt, A. Djannati-Ataï, W. Domainko, A. Donath, L. O’C. Drury, G. Dubus, K. Dutson, J. Dyks, M. Dyrda, T. Edwards, K. Egberts, P. Eger, J.-P. Ernenwein, P. Espigat, C. Farnier, S. Fegan, F. Feinstein, M. V. Fernandes, D. Fernandez, A. Fiasson, G. Fontaine, A. Förster, M. Füßling, S. Gabici, M. Gajdus, Y. A. Gallant, T. Garrigoux, G. Giavitto, B. Giebels, J. F. Glicenstein, D. Gottschall, A. Goyal, M.-H. Grondin, M. Grudzińska, D. Hadasch, S. Häffner, J. Hahn, J. Hawkes, G. Heinzelmann, G. Henri, G. Hermann, O. Hervet, A. Hillert, J. A. Hinton, W. Hofmann, P. Hofverberg, C. Hoischen, M. Holler, D. Horns, A. Ivascenko, A. Jacholkowska, M. Jamrozy, M. Janiak, F. Jankowsky, I. Jung-Richardt, M. A. Kastendieck, K. Katarzyński, U. Katz, D. Kerszberg, B. Khélifi, M. Kieffer, S. Klepser, D. Klochkov, W. Kluźniak, D. Kolitzus, Nu. Komin, K. Kosack, S. Krakau, F. Krayzel, P. P. Krüger, H. Laffon, G. Lamanna, J. Lau, J. Lefaucheur, V. Lefranc, A. Lemiére, M. Lemoine-Goumard, J.-P. Lenain, T. Lohse, A. Lopatin, C.-C. Lu, R. Lui, V. Marandon, A. Marcowith, C. Mariaud, R. Marx, G. Maurin, N. Maxted, M. Mayer, P. J. Meintjes, U. Menzler, M. Meyer, A. M. W. Mitchell, R. Moderski, M. Mohamed, K. Morå, E. Moulin, T. Murach, M. de Naurois, J. Niemiec, L. Oakes, H. Odaka, S. Öttl, S. Ohm, B. Opitz, M. Ostrowski, I. Oya, M. Panter, R. D. Parsons, M. Paz Arribas, N. W. Pekeur, G. Pelletier, P.-O. Petrucci, B. Peyaud, S. Pita, H. Poon, H. Prokoph, G. Pühlhofer, M. Punch, A. Quirrenbach, S. Raab, I. Reichardt, A. Reimer, O. Reimer, M. Renaud, R. de los Reyes, F. Rieger, C. Romoli, S. Rosier-Lees, G. Rowell, B. Rudak, C. B. Rulten, V. Sahakian, D. Salek, D. A. Sanchez, A. Santangelo, M. Sasaki, R. Schlickeiser, F. Schüssler, A. Schulz, U. Schwanke, S. Schwemmer, A. S. Seyffert, R. Simoni, H. Sol, F. Spanier, G. Spengler, F. Spies, Ł. Stawarz, R. Steenkamp, C. Stegmann, F. Stinzing, K. Stycz, I. Sushch, J.-P. Tavernet, T. Tavernier, A. M. Taylor, R. Terrier, M. Tluczykont, C. Trichard, R. Tuffs, K. Valerius, J. van der Walt, C. van Eldik, B. van Soelen, G. Vasileiadis, J. Veh, C. Venter, A. Viana, P. Vincent, J. Vink, F. Voisin, H. J. Völk, T. Vuillaume, S. J. Wagner, P. Wagner, R. M. Wagner, M. Weidinger, Q. Weitzel, R. White, A. Wierzcholska, P. Willmann, A. Wörnlein, D. Wouters, R. Yang, V. Zabalza, D. Zaborov, M. Zacharias, A. A. Zdziarski, A. Zech, F. Zefi, N. Żywucka, HESS Collaboration. Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre. Nature, 2016; DOI: 10.1038/nature17147

Traduction Michelle Cavenel

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