Certains rayonnements spatiaux qui frappent la Terre ont une origine explosive.
Les astronomes ont détecté les restes d’une explosion de supernova potentiellement capable d’éjecter des particules de haute énergie, ou rayons cosmiques, qui bombardent fréquemment la Terre.
Leurs nouvelles découvertes relient les ondes de choc et les débris créés par les étoiles mourantes aux accélérateurs de protons à haute énergie naturels dans l’espace, appelés PeVatrons. Nommés pour leur capacité à augmenter l’énergie des particules à des niveaux extrêmes de péta-électronvolt (PeV), ces accélérateurs cosmiques intrigants n’ont jamais été identifiés de manière concluante.
Une poignée de PeVatrons suspects ont déjà été relevés d’empreintes digitales avant cette étude, dont un au centre de notre galaxie, la Voie lactée. L’équipe de recherche affirme que leur nouvelle découverte des restes d’une explosion de supernova, un nuage de matériau appelé G106.3 + 2.7, pourrait être le candidat le plus prometteur à ce jour.
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Les restes se cachent à 2 600 années-lumière de la Terre, en forme de comète avec un pulsar brillant, une étoile à neutrons en rotation hautement magnétique, à une extrémité.
Étant donné que les étoiles à neutrons se forment lorsque les étoiles subissent un effondrement gravitationnel, qui lance également des supernovae, les chercheurs ont de bonnes raisons de penser que le pulsar et le nuage de débris de supernova ont été créés par le même événement violent.
À l’aide du télescope Fermi Large Area de la NASA, les astronomes ont détecté une lueur gamma à haute énergie qui implique que G106.3 + 2.7 pourrait être capable de l’exploit associé à PeVatron d’éjecter des particules à des énergies équivalentes à un million de milliards d’électrons volts, 10 fois plus grandes que les énergies générées par le Large Hadron Collider, le plus puissant accélérateur de particules sur Terre.
“Les théoriciens pensent que les protons des rayons cosmiques les plus énergétiques de la Voie lactée atteignent un million de milliards d’électrons-volts, ou énergies PeV”, a déclaré Ke Fang, professeur adjoint de physique à l’Université du Wisconsin à Madison, dans un communiqué de presse. . (s’ouvre dans un nouvel onglet) “La nature précise de leurs sources, que nous appelons PeVatrons, a été difficile à cerner.”
Les scientifiques soupçonnent que les restes de supernova des étoiles mortes accélèrent les particules à des énergies aussi élevées lorsque des particules chargées sont piégées dans les champs magnétiques qui les entourent. Ce processus permet aux ondes de choc de la supernova de frapper à plusieurs reprises les particules piégées, augmentant à chaque fois leur énergie. Enfin, les particules sont si énergétiques que les restes de supernova ne peuvent pas les retenir, et les particules s’échappent dans l’espace à des vitesses proches de la lumière sous forme de rayons cosmiques.
Il a été difficile de tracer les rayons cosmiques jusqu’aux restes de supernova car les protons qui composent les rayons cosmiques sont chargés électriquement. Par conséquent, les rayons cosmiques sont susceptibles de se disperser en interagissant avec les champs magnétiques lorsqu’ils voyagent dans l’espace. Les astronomes ne peuvent donc pas facilement dire de quelle direction vient l’éclair lorsqu’il atteint finalement notre planète.
Cependant, comme l’accélération des protons à des vitesses aussi élevées provoque l’émission de rayons gamma, cette lumière à haute énergie pourrait être un bon indicateur de la source des rayons cosmiques.
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Fermi et le système VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) de l’observatoire Fred Lawrence Whipple dans le sud de l’Arizona ont détecté des rayons gamma provenant de l’intérieur de la queue du reste de supernova G106.3 + 2.7. De plus, d’autres observatoires ont trouvé des photons d’énergie extrêmement élevée provenant de la même zone, indiquant qu’il pourrait s’agir d’un PeVatron.
“Cet objet suscite un intérêt considérable depuis un certain temps maintenant, mais pour le couronner de PeVatron, nous devions montrer qu’il accélère les protons”, a déclaré la chercheuse Henrike Fleischhack du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.
“Le problème est que des électrons accélérés à quelques centaines de TeV peuvent produire la même émission. Maintenant, avec l’aide de 12 ans de données de Fermi, nous pensons avoir montré que G106.3+2.7 est bien un PeVatron.”
Pour analyser les rayons gamma du nuage en forme de comète, l’équipe a d’abord dû prendre en compte le pulsar, nommé J2229+6114, qui émet ses propres rayons gamma lorsqu’il tourne rapidement. Étant donné que la lumière à haute énergie n’est projetée vers la Terre que pendant la moitié de la période de rotation du pulsar, les chercheurs ont simplement ignoré les émissions de rayons gamma pendant cette période.
La queue de G106.3+2.7 semble émettre peu de photons gamma avec des énergies inférieures à 10 Giga-électronvolts (GeV) ; au-dessus de ce point de référence, l’effet du pulsar était infime. L’absence de rayons gamma en dessous de 10 GeV indiquait également que les émissions détectées n’étaient pas causées par l’accélération des électrons.
Cette découverte a conduit les chercheurs à déduire que la source de certains rayons gamma de G106.3 + 2.7 était en fait l’accélération de protons à des énergies de niveau PeV.
“Jusqu’à présent, G106.3 + 2.7 est unique, mais il pourrait devenir le membre le plus brillant d’une nouvelle population de restes de supernova émettant des rayons gamma atteignant les énergies TeV”, a déclaré Fang. “Plus d’entre eux pourraient être révélés grâce aux futures observations de Fermi et des observatoires de rayons gamma à très haute énergie.”
Les conclusions de l’équipe sont discutées dans un article publié dans le numéro du 10 août de la revue Physical Review Letters. (s’ouvre dans un nouvel onglet)
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