Des résultats marquants publiés par le Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) le 16 novembre ont résolu un mystère vieux de plusieurs décennies sur le spectre énergétique des rayons cosmiques, qui montre une forte diminution des rayons cosmiques au-dessus de 3 PeV, lui donnant une forme inhabituelle en forme de genou.
La cause du « genou » reste floue depuis sa découverte il y a près de 70 ans. Les scientifiques ont émis l’hypothèse qu’elle est liée à la limite d’accélération des sources astrophysiques de rayons cosmiques et qu’elle reflète la transition du spectre énergétique des rayons cosmiques d’une distribution de loi de puissance à une autre.
Mais aujourd'hui, deux études récentes, publiées dans Revue scientifique nationale et Bulletin scientifiquerespectivement, démontrent que les micro-quasars entraînés par l'accrétion du système de trous noirs sont de puissants accélérateurs de particules dans la Voie Lactée et sont probablement la source du « genou ». Les études font également progresser notre compréhension des processus physiques extrêmes des systèmes de trous noirs.
La recherche a été menée par des chercheurs de l'Institut de physique des hautes énergies de l'Académie chinoise des sciences (CAS), de l'Université de Nanjing, de l'Université des sciences et technologies de Chine de CAS, de l'Université La Sapienza de Rome et d'autres institutions.
Des micro-quasars identifiés comme accélérateurs cosmiques
Les trous noirs, l'un des objets les plus énigmatiques de l'univers, génèrent des jets relativistes lorsqu'ils accumulent de la matière provenant d'étoiles compagnons dans des systèmes binaires, formant ainsi des « micro-quasars ». Dans cette étude, LHAASO a détecté systématiquement pour la première fois des rayons gamma à ultra haute énergie provenant de cinq micro-quasars : SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 et Cygnus X-1.
En particulier, le rayonnement ultra-énergétique du SS 433 chevauchait un nuage atomique géant, ce qui suggère fortement que les protons de haute énergie sont accélérés par le trou noir et entrent en collision avec la matière environnante.
L'énergie des protons dans ce système dépassait 1 PeV, avec une puissance totale d'environ 1032 joules par seconde, soit l’équivalent de l’énergie libérée par seconde par quatre mille milliards des bombes à hydrogène les plus puissantes. L'énergie des rayons gamma du V4641 Sgr s'est avérée atteindre 0,8 PeV, ce qui en fait un autre « accélérateur de particules super PeV », tandis que les particules mères générant ces rayons gamma avaient des énergies supérieures à 10 PeV.
Ces résultats prouvent que les micro-quasars sont d'importants accélérateurs de particules PeV dans la Voie Lactée, abordant un problème scientifique de longue date : alors que les restes de supernova étaient historiquement reconnus comme des sources de rayons cosmiques, des études observationnelles et théoriques ont montré qu'ils ne peuvent pas accélérer les rayons cosmiques jusqu'aux énergies du « genou » et au-delà.
Défis liés à la mesure des spectres de rayons cosmiques
Pour bien comprendre ce phénomène, des mesures précises des spectres énergétiques des différentes espèces de rayons cosmiques, y compris leurs « genoux » respectifs, sont essentielles. La première étape consiste à mesurer le spectre énergétique des noyaux les plus légers, les protons. Cependant, les rayons cosmiques dans la région du « genou » sont rares et les détecteurs satellites ont une acceptation limitée, ce qui rend la détection comparable à la recherche d'une aiguille dans une botte de foin.
Dans les mesures indirectes au sol des particules de rayons cosmiques, il est impossible d’éviter les interférences atmosphériques. Cela rend difficile la distinction des protons des autres noyaux. Pendant longtemps, cette mesure a été considérée comme impossible.
Dans cette étude, en tirant parti de son équipement d’observation des rayons cosmiques au sol de pointe, LHAASO a développé des techniques de mesure multiparamétriques et sélectionné un large échantillon statistique de protons de haute pureté, permettant une mesure précise de leur spectre énergétique, avec une précision comparable à celle des expériences satellitaires. Cette mesure a révélé une structure de spectre énergétique totalement inattendue, affichant clairement une nouvelle « composante de haute énergie » au lieu d’une simple transition entre les spectres de loi de puissance.
De multiples accélérateurs façonnent l’origine des rayons cosmiques
LHAASO’Les nouvelles découvertes, ainsi que la composante de faible énergie mesurée par l'expérience spatiale AMS-02 et la composante d'énergie intermédiaire mesurée par l'expérience spatiale DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), ont révélé l'existence de plusieurs accélérateurs au sein de la Voie Lactée, chacun possédant sa propre capacité d'accélération et sa propre plage d'énergie. Le « genou » représente la limite d'accélération des sources responsables de la génération de la composante haute énergie.
La structure complexe du spectre énergétique des protons indique que les protons des rayons cosmiques dans la gamme d'énergie PeV proviennent principalement de « nouvelles sources » telles que les micro-quasars, qui ont une limite d'accélération nettement supérieure à celle des restes de supernova. Cela leur permet de générer des rayons cosmiques de haute énergie qui dépassent le « genou ».
Des avancées technologiques relient les trous noirs aux rayons cosmiques
Ces deux découvertes se soutiennent mutuellement et présentent un tableau scientifique complet. Cela marque non seulement une avancée significative dans la résolution du mystère de longue date de l’origine du « genou », mais offre également des preuves observationnelles cruciales pour comprendre le rôle des trous noirs dans l’origine des rayons cosmiques.
LHAASO’La conception du réseau de détecteurs hybrides permet la détection des sources de rayons cosmiques via des rayons gamma à ultra haute énergie, tout en permettant une mesure précise des particules de rayons cosmiques à proximité du système solaire. Cette approche offre un aperçu des capacités d'accélération des sources aux énergies PeV et des caractéristiques spectrales qu'elles contribuent aux rayons cosmiques. Pour la première fois, la structure du « genou » a été reliée par observation à un type spécifique de source astrophysique : le système de jets de trous noirs.
LHAASO, qui a été conçu, construit et exploité par des scientifiques chinois, a pris la tête de la recherche sur les rayons cosmiques à haute énergie en raison de sa sensibilité à la fois dans l'exploration astronomique des rayons gamma et dans la mesure de précision des rayons cosmiques. Elle a réalisé une série de découvertes qui ont un impact mondial, contribuant ainsi à notre connaissance des processus physiques extrêmes de l'univers.
