100 ans après, découverte d'un nouveau type de rayons cosmiques

Grâce à XMM-Newton (1), le satellite européen d'astronomie en rayons X, des chercheurs du CNRS (2) et du CEA (3) ont découvert une nouvelle source de rayons cosmiques.

Au voisinage de l'extraordinaire amas des Arches, près du centre de la Voie lactée ( Anciennement, la Voie lactée ne désignait que la bande blanchâtre traversant le ciel nocturne. Il existe plusieurs interprétations mythologiques de la Voie lactée. Avec les progrès de l'astronomie, on s'est rendu compte...), ces particules sont accélérées dans l'onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde , mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute pression, et elle est alors...) générée par le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés.

En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le...) à une vitesse (La vitesse est une grandeur physique qui permet d'évaluer l'évolution d'une quantité en fonction du temps.) d'environ 700 000 km/h de dizaines de milliers de jeunes étoiles.

Ces rayons cosmiques produisent alors une émission X caractéristique en interagissant avec les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) du gaz (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi indépendants (pour plus de détails, voir gaz réels).) ambiant.

Leur origine diffère de celle des rayons cosmiques découverts il y a tout juste cent ans par Victor Hess, qui sont issus des explosions de supernovæ. Ces résultats sont publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.

La région de l'amas des Arches vue en rayons X (contours) et dans le proche infrarouge (image de fond). La carte infrarouge est obtenue à partir des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés.

Le plaisir...) du télescope (Un télescope (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir ») est un instrument optique qui permet d'augmenter la...) Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est nommé en l'honneur de l'astronome...) à la longueur (La longueur d’un objet représente la distance entre deux de ses extrémités, les plus éloignées possibles.

Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est souvent celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de 1,875 µm (données tirées de Dong et al. 2011, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 417, 114). Les contours indiquent l'intensité de la raie du fer neutre observée par XMM-Newton autour de l'amas d'étoiles (situé au centre de l'image). L'émission X est produite par des rayons cosmiques accélérés dans l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) formée dans le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est...) par le mouvement supersonique de l'amas. Celui-ci se déplace de la droite vers la gauche de l'image à environ 700 000 km/h. Crédit image: Vincent Tatischeff.

Il y a cent ans, le physicien autrichien Victor Franz Hess découvrait l'existence d'un rayonnement ionisant (Un rayonnement ionisant est un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse. Pour les rayons ionisants, il y a beaucoup d'usages pratiques, mais ces rayons sont aussi dangereux pour la santé...) d'origine extraterrestre, les "rayons cosmiques". Leur nature est aujourd'hui bien connue. Lorsque certaines étoiles en fin de vie explosent et deviennent des supernovæ, leur matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible.

Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. Elle occupe de l'espace et...) est éjectée à une vitesse supersonique et génère des ondes de choc qui accélèrent les particules. Certains noyaux atomiques acquérant ainsi une très forte énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail nécessaire pour faire passer le...) arrivent jusqu'à la Terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant du Soleil.).

Mais les rayons cosmiques de basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (4) ne sont pas détectés au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie.

La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui...) de notre planète (Selon la dernière définition de l'Union astronomique internationale (UAI), « une planète est un corps céleste (a) qui est en orbite autour du Soleil, (b) qui possède une masse suffisante pour que sa gravité l'emporte sur les...), car le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles...) les empêche de pénétrer dans l'héliosphère.

On ne sait donc pas grand-chose de leur composition chimique et de leur flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le...) en dehors du système solaire (Le système solaire est le nom donné au système planétaire composé du Soleil et des objets célestes gravitant autour de lui. Par extension, le terme...), mais tout indique qu'ils jouent un rôle important dans la galaxie. Ainsi, en ionisant et en chauffant les nuages interstellaires les plus denses, ils régulent sans doute la formation des étoiles.

Les auteurs de l'article ont commencé par étudier de façon théorique l'émission X que devraient générer des rayons cosmiques de basse énergie dans le milieu interstellaire. Puis ils ont recherché la trace (De manière générale, une trace est l'influence d'un événement sur son environnement.

On utilise parfois le terme d'empreinte (voir aussi Pistage).) de cette émission théorique dans des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) en rayons X accumulées par le XMM-Newton depuis son lancement en 1999. En analysant les propriétés de l'émission X du fer interstellaire enregistrée par le satellite (Satellite peut faire référence à :), ils ont alors trouvé les signatures d'une forte population d'ions rapides au voisinage de l'amas des Arches, à environ cent années-lumière du centre de la Voie lactée.

Les étoiles de cet amas se déplacent de concert à la vitesse d'environ 700 000 km/h. Les rayons cosmiques sont vraisemblablement produits dans la collision (On appelle collision le choc entre deux objets.) à grande vitesse de l'amas d'étoiles avec un nuage de gaz se trouvant sur leur chemin (Fig). Dans cette région particulière, la densité (La densité est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume d'eau pure à la température de 3,98...) d'énergie des ions accélérés est environ mille fois supérieure à celle des rayons cosmiques au voisinage du système solaire.

Il s'agit de la première découverte d'une source majeure de rayons cosmiques (5) de basse énergie en dehors du système solaire. Cela montre que les ondes de choc des supernovae ne sont pas les seuls objets à pouvoir accélérer en masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur interaction gravitationnelle.) des noyaux atomiques dans la galaxie. Ces résultats devraient permettre d'identifier de nouvelles sources d'ions dans le milieu interstellaire et peut-être de mieux comprendre les effets de ces particules énergétiques sur la formation des étoiles.


Notes:

(1) XMM-Newton est un satellite de l'ESA auquel le CNES, le CEA et le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) ont fortement contribué.

(2) Laboratoires impliqués: Centre de Spectrométrie Nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) et de Spectrométrie de Masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse monoisotopique. De plus, la spectrométrie de masse permet de caractériser la...) (CNRS/Université Paris-Sud), Laboratoire d'Annecy le Vieux de Physique des Particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes...) (CNRS/Université de Savoie), Laboratoire Astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...), Interactions, Multi-échelles (CEA/CNRS/Université Paris-Diderot).

(3) Institut de recherches sur les lois fondamentales de l'Univers (On nomme univers l'ensemble de tout ce qui existe, comprenant la totalité des êtres et des choses (celle-ci comprenant ou non, selon les philosophies, les choses immatérielles) et les lois qui le régissent. Si...) (Irfu), Service d'astrophysique.

(4) Ceux dont l'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) est inférieure à un demi-milliard d'électronvolts.

(5) Les rayons cosmiques découverts sont hadroniques, c'est à dire constitués en grande majorité de noyaux d'atomes. Les rayons cosmiques hadroniques représentent près de 99% des particules galactiques détectées au voisinage terrestre. Les électrons et positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse...), qui constituent la composante leptonique du rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) cosmique, sont bien moins nombreux.


Référence:

Nonthermal X-rays from low-energy cosmic rays: Application to the 6.4 keV line emission from the Arches cluster region
V. Tatischeff, A. Decourchelle, and G. Maurin, A&A, 2012, 546, A88

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