Des astronomes choqués par un mystérieux rayon cosmique à ultra haute énergie – « Que se passe-t-il ?

Les astrophysiciens de l’Université de l’Utah et le réseau de télescopes ont détecté des rayons cosmiques dont les énergies dépassent les limites théoriques, remettant en question la compréhension actuelle de la physique des particules. Ces découvertes, notamment les particules Oh-My-God et Amaterasu, indiquent des phénomènes cosmiques inconnus et font l’objet de recherches en cours.

À côté de la particule Oh-My-God, la nouvelle particule Amaterasu approfondit le mystère de l’origine, de la propagation et de la physique des particules de rayons cosmiques rares à ultra haute énergie.

En 1991, l’expérience oculaire de l’Université de l’Utah a détecté les rayons cosmiques les plus énergétiques jamais observés. Appelée plus tard la particule oh-mon-dieu, l’énergie des rayons cosmiques a choqué les astrophysiciens. Rien dans notre galaxie n’a l’énergie nécessaire pour la produire, et la particule avait plus d’énergie que ce qui est théoriquement possible pour les rayons cosmiques voyageant vers la Terre depuis d’autres galaxies. En termes simples, il ne devrait y avoir aucune particule.

Mystères de l’astronomie

Le réseau de télescopes a observé plus de 30 rayons cosmiques de très haute énergie, même si aucun n’a approché les énergies du niveau de mon Dieu. Aucune observation n’a encore révélé leur origine ni comment ils pourraient voyager jusqu’à la Terre.

La particule d'améthyste a frappé l'atmosphère terrestre

Représentation artistique d’un rayon cosmique hautement énergétique observé par le réseau de détection de surface de l’expérience Telescope Array, surnommé la « particule Amaterasu ». Crédit : Université métropolitaine d’Osaka/L-Inside, Université de Kyoto/Ryunosuke Takeshige

Le 27 mai 2021, l’expérience Telescope Array a détecté le deuxième rayon cosmique d’intensité la plus élevée. 2,4 x 10 pouces20eV, l’énergie de cette particule subatomique unique équivaut à laisser tomber une brique sur votre orteil à hauteur de taille. Dirigé par l’Université de l’Utah (U) et l’Université de Tokyo, le réseau de télescopes se compose de 507 stations de détection de surface couvrant une grille de 700 km carrés.2 (~270 milles2Utah dans le désert à l’ouest de l’État, en dehors du Delta. L’événement a déclenché 23 détecteurs dans la partie nord-ouest du réseau de télescopes, à 48 km.2 (18,5 km2) dont la direction d’arrivée provient du vide local, la région vide à la limite de l’espace voie Lactée Galaxie.

« Les particules sont si énergétiques qu’elles ne devraient pas être affectées par les champs magnétiques galactiques et extrastellaires. Vous pouvez déterminer d’où elles viennent dans le ciel », a déclaré John Matthews, co-porte-parole du réseau de télescopes de l’U et co-auteur de « Mais la particule oh-mon-dieu et cette nouvelle Dans le cas de la particule, vous tracez son chemin jusqu’à sa source, et il n’y a pas d’énergie suffisamment élevée pour la créer. C’est là le mystère : que se passe-t-il ? »

Particule Amaterasu

Dans leur observation publiée dans la revue le 24 novembre 2023 Science, une collaboration internationale de chercheurs a décrit le rayon cosmique de très haute énergie, évalué ses caractéristiques et conclu qu’il s’agit d’un phénomène rare qui suit la physique des particules inconnue de la science. Les chercheurs l’ont baptisée particule Amaterasu, en hommage à la déesse du soleil dans la mythologie japonaise. Les particules Oh-My-God et Amaterasu ont été détectées à l’aide de différentes techniques d’observation, confirmant que bien que rares, ces événements à ultra haute énergie sont réels.

Astronomie des rayons cosmiques à très haute énergie

Illustration d’un astronome d’un rayon cosmique de très haute énergie pour élucider des phénomènes plus énergétiques par opposition à un rayon cosmique plus faible frappé par des champs électromagnétiques. Crédit : Université métropolitaine d’Osaka/Université de Kyoto/Ryunosuke Takeshige

« Ces événements semblent provenir d’endroits complètement différents dans le ciel. Ce n’est pas comme s’il y avait une source mystérieuse », a déclaré John Bells, professeur à l’Université et co-auteur de l’étude. « Il pourrait s’agir de défauts dans la structure de espace-temps, collision de cordes cosmiques. Je veux dire, je crache les idées folles que les gens proposent faute d’explication conventionnelle.

Les accélérateurs de particules naturels

Les rayons cosmiques sont des échos d’événements célestes violents qui dépouillent la matière jusqu’à ses structures subatomiques et traversent l’univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Fondamentalement, les rayons cosmiques sont des particules chargées avec une large gamme d’énergies constituées de protons positifs, d’électrons négatifs ou de noyaux entiers qui voyagent à travers l’espace et pleuvent continuellement sur Terre.

Les rayons cosmiques frappent la haute atmosphère terrestre et déchirent les noyaux d’oxygène et d’azote gazeux, créant ainsi de nombreuses particules secondaires. Ceux-ci voyagent sur une certaine distance dans l’atmosphère et répètent le processus, créant une pluie de milliards de particules secondaires qui se dispersent à la surface. L’empreinte de cette gerbe secondaire est énorme et nécessite que les détecteurs couvrent une zone aussi grande qu’un réseau de télescopes. Les détecteurs de surface utilisent une suite d’instruments qui fournissent aux chercheurs des informations sur chaque rayon cosmique ; Le timing du signal montre son chemin et la quantité de particules chargées frappant chaque détecteur révèle l’énergie de la particule primaire.

Parce que les particules ont une charge électrique, leur trajectoire de vol ressemble à une balle dans un flipper alors qu’elles zigzaguent contre les champs électromagnétiques du fond cosmique des micro-ondes. Il est presque impossible de retracer le trajet de la plupart des rayons cosmiques, qui se situent à l’extrémité basse à moyenne du spectre énergétique. Même les rayons cosmiques à haute énergie sont déformés par le fond micro-onde. Les particules avec l’énergie Oh-My-God et Amaterasu sont relativement non courbées dans l’espace intergalactique. Seuls les phénomènes célestes les plus puissants peuvent les produire.

« Les choses que les gens pensent être énergétiques, comme une supernova, ne le sont pas assez pour cela. Il faut beaucoup d’énergie, vraiment beaucoup de champs magnétiques, pour contrôler la particule à mesure qu’elle accélère », a déclaré Matthews.

Le mystère des rayons cosmiques à ultra haute énergie

Les rayons cosmiques à très haute énergie doivent être supérieurs à 5 x 1019 E.V. Cela signifie qu’une particule subatomique a la même énergie cinétique qu’une balle rapide d’un lanceur de ligue majeure et des millions de fois plus d’énergie que n’importe quel accélérateur de particules fabriqué par l’homme. Les astrophysiciens ont calculé cette limite théorique, connue sous le nom de coupure Griesen-Satzepin-Kuzmin (GZK), car il s’agit de l’énergie maximale à laquelle un proton peut parcourir la plus longue distance avant que les interactions du rayonnement de fond micro-ondes n’acquièrent leur énergie. Les sources candidates connues, telles que les noyaux galactiques actifs ou les trous noirs dotés de disques d’accrétion émettant des jets de particules, se trouvent à 160 millions d’années-lumière de la Terre. La nouvelle particule est de 2,4 x 1020 eV et 3,2 x 10 particule O-mon-dieu20 eV dépasse facilement le seuil.

Les chercheurs examinent la composition des rayons cosmiques à la recherche d’indices sur leur origine. Une particule plus lourde, comme les noyaux de fer, est plus lourde, plus chargée et plus capable de se plier dans un champ magnétique que les particules plus légères constituées de protons d’hydrogène. Atome. La nouvelle particule pourrait être un proton. Rayon cosmique avec des énergies au-delà de la coupe GZK de la physique des particules, le fond micro-ondes est suffisamment puissant pour déformer sa trajectoire, mais sa trajectoire pointe vers l’espace vide.

« Peut-être que les champs magnétiques sont plus forts que nous le pensions, mais cela ne concorde pas avec d’autres observations qui montrent qu’ils ne sont pas assez forts pour produire une courbure significative à ces énergies de dix à vingtièmes électrons-volts », a déclaré Bells. « C’est un vrai mystère. »

Rechercher et élargir le réseau de télescopes

Le Réseau télescopique Il est idéalement placé pour détecter les rayons cosmiques à ultra haute énergie. C’est à environ 1 200 m (4 000 pieds), le point idéal d’altitude où les particules secondaires permettent une croissance maximale, mais avant qu’elles ne commencent à se désintégrer. Son emplacement dans le désert occidental de l’Utah offre des conditions atmosphériques idéales de deux manières : l’air sec est important car l’humidité absorbe la lumière ultraviolette nécessaire à la détection ; Et le ciel sombre de la région est nécessaire car la pollution lumineuse crée trop de bruit et obscurcit les rayons cosmiques.

Les astrophysiciens sont encore intrigués par ces phénomènes mystérieux. Le réseau de télescopes est au milieu d’une expansion qui, espèrent-ils, aidera à résoudre l’affaire. Une fois terminés, 500 nouveaux détecteurs à scintillateurs élargiront le réseau de télescopes pour détecter les gerbes de particules induites par les rayons cosmiques à 2 900 km de distance.2 (1 100 milles2 ), presque la taille du Rhode Island. Une empreinte plus grande capture davantage d’événements qui éclairent ce qui se passe.

En savoir plus sur cette découverte :

Référence : « Rayon cosmique le plus énergétique observé par un réseau de détection de surface » 23 novembre 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.abo5095

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