supernovae, source de rayons cosmiques

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Les observations du télescope spatial Fermi montrent que certains des rayons cosmiques sont accélérés au sein des supernovae.

La Terre est en permanence bombardée par des particules qui sillonnent l'espace à grande vitesse. L’origine de ces « rayons cosmiques » n’est pas connue avec certitude. Les données recueillies par le télescope spatial à rayons gamma Fermi confirment le rôle joué par les supernovae, des explosions d’étoiles, dans la production de rayons cosmiques.

Depuis leur découverte par Victor Hess en 1912, de nombreuses expériences visant à caractériser ce flux de particules venues de l’espace ont vu le jour, par exemple actuellement le télescope Fermi, le réseau de télescopes au sol HESS-2, en Namibie, ou encore l’Observatoire Pierre Auger, en Argentine. Les protons constituent la majeure partie des rayons cosmiques – environ 90 pour cent. Le reste se partage entre des noyaux atomiques, des électrons et quelques antiparticules.

Il n'est pas facile de déterminer quelle est leur origine et par quel mécanisme ces particules ont acquis autant d’énergie. En effet, elles sont électriquement chargées et donc sensibles au champ magnétique de la galactie. Leur trajectoire est ainsi déviéede multiples fois, ce qui rend leur source presque impossible à discerner. Seule exception, les rayons cosmique de ultra-haute énergie, que le faible champ magnétique galactique ne serait pas en mesure de dévier.

Néanmoins, les astrophysiciens ont supposé que des événements violents sont à l'origine des rayons cosmiques et leur confèrent leur grande vitesse. Les supernovae sont l’une des hypothèses les plus convaincantes. En fin de vie, les étoiles très massives explosent, éjectant leurs couches externes dans le milieu interstellaire, tandis que le cœur de l’étoile s’effondre en une étoile à neutrons. Le physicien italien Enrico Fermi avait imaginé un mécanisme permettant d’accélérer des protons, scénario qui s’applique lors de l’explosion d’étoiles. Dans la coquille de matière éjectée par la supernova, un intense champ magnétique piège les protons, qui ont un mouvement aléatoire accompagnant le front d’onde de l’explosion. Parfois les protons traversent l’onde de choc, ce qui les accélère. Le champ magnétique lesu ramène en arrière, et ils retraversent ainsi à de nombreuses reprises l’onde de choc. Au final, l’énergie des protons augmente au point de leur permettrent de se libérer du champ magnétique. Dès lors, les protons se propagent dans le milieu interstellaire, où ils peuvent donner naissance à des rayons gamma – des photons de très haute énergie – par divers mécanismes. Les photons, eux, se dirigent en ligne droite dans la galaxie car ils ne sont pas sensibles au champ magnétique. Ils livrent donc facilement leur direction d’origine.

Le télescope spatial Fermi peut mesurer l’énergie et la direction de ces photons. L’étude récente se concentre sur les rayons gamma provenant de deux restes de supernovae – W44 et IC 443. Le spectre des photons permet de distinguer les mécanismes qui les ont engendrés, en particulier s’ils ont été produits par des protons ou par des électrons. L’analyse de quatre ans de données de Fermi a permis de montrer que ces photons proviennent de protons de haute énergie créés dans les supernovae et accélérés en leur sein. Ils se sont alors propagés dans le milieu interstellaire et ont percuté des nuages de gaz proche. La collision d’un proton avec une molécule de gaz produit une particule instable, le pion neutre, qui se désintègre rapidement en deux photons gamma. Ce résultat confirme une hypothèse importante sur l’origine d’une partie du rayonnement cosmique galactique et est un pas de plus dans la compréhension des mécanismes internes à l’explosion d’une supernova.

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