Qu’est-ce qu’un rayon cosmique ?
Un rayon cosmique est une particule subatomique qui voyage dans l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière. Les rayons cosmiques proviennent de diverses sources, comme les explosions d’étoiles, les trous noirs ou les galaxies actives. Certains rayons cosmiques ont une énergie très élevée, supérieure à celle des particules produites par les accélérateurs de particules sur Terre. On les appelle les rayons cosmiques à ultra haute énergie (UHECR). Ces rayons sont très rares et difficiles à détecter, car ils sont atténués par le rayonnement cosmique de fond, qui remplit l’Univers depuis le Big Bang.
Comment les détecte-t-on ?
Les rayons cosmiques ne peuvent pas être observés directement, même de nuit, car ils sont absorbés par l’atmosphère terrestre. En revanche, ils produisent des gerbes de particules secondaires en interagissant avec les molécules d’air. Ces particules émettent une faible lumière bleue, appelée effet Tcherenkov, qui peut être captée par des télescopes spéciaux. Ces télescopes forment le réseau Telescope Array, situé dans le désert de l’Utah, aux États-Unis. Il s’agit du plus grand observatoire de rayons cosmiques de l’hémisphère nord, composé de 507 détecteurs au sol et de trois stations de fluorescence. Le Telescope Array couvre une surface de 700 km² et peut observer le ciel nocturne à 360 degrés.
Qu’a-t-on découvert ?
Une découverte de tout premier plan a eu lieu le 27 mai 2021 dernier, le Telescope Array a détecté un rayon cosmique exceptionnel, avec une énergie estimée à 244 EeV (exaélectronvolts), soit environ 40 millions de fois l’énergie des particules du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ce rayon cosmique est le deuxième plus énergétique jamais observé, après la particule “Oh-My-God”, qui avait atteint 320 EeV en 1991. Les chercheurs ont nommé ce rayon cosmique “Amaterasu”, d’après la déesse du soleil de la mythologie japonaise. Amaterasu est considérée comme l’ancêtre de la famille impériale japonaise et la protectrice du pays.
D’où vient-il ?
L’origine de ce rayon cosmique est un mystère. En analysant sa direction d’arrivée, les chercheurs ont constaté qu’il semblait provenir d’une région vide de l’espace, appelée le Local Void, située à la périphérie de notre galaxie, la Voie lactée. Aucune source connue ne semble capable de produire un tel rayon cosmique dans cette zone. De plus, la trajectoire du rayon cosmique peut être déviée par les champs magnétiques présents dans l’espace, ce qui rend difficile de remonter à sa source exacte. Le rayon cosmique a parcouru environ 500 millions d’années-lumière avant d’atteindre la Terre, ce qui correspond à environ 4% de l’âge de l’Univers.
Quelles sont les hypothèses ?
Les chercheurs envisagent plusieurs hypothèses pour expliquer ce rayon cosmique. Il pourrait s’agir d’un phénomène extrême, comme une explosion à l’échelle cosmique, un noyau galactique actif, un sursaut gamma ou une galaxie en étoile. Il pourrait aussi s’agir d’un phénomène exotique, comme un défaut dans la structure de l’espace-temps ou une collision de cordes cosmiques. Ces hypothèses impliquent de nouvelles lois physiques, de nouvelles forces ou de nouvelles particules, qui n’ont pas encore été vérifiées expérimentalement. Par exemple, certains modèles théoriques prédisent l’existence de particules supermassives, appelées X-particles, qui pourraient être à l’origine des UHECR.
Quelles sont les perspectives ?
Le Telescope Array est actuellement en cours d’expansion, avec l’ajout de 500 nouveaux détecteurs au sol. Cette extension permettra d’augmenter la sensibilité et la précision de l’observatoire, et de détecter et découvrir davantage de rayons cosmiques à ultra haute énergie. Les chercheurs espèrent ainsi élucider l’origine et la nature de ces particules, qui nous renseignent sur les phénomènes les plus violents de l’Univers. Le Telescope Array collabore également avec d’autres observatoires de rayons cosmiques, comme le Pierre Auger Observatory en Argentine ou le JEM-EUSO en orbite, pour croiser les données et affiner les analyses.
