De nouveaux résultats publiés cette semaine dans Lettres d'examen physique suggèrent que le carbone, oxygène, et les rayons cosmiques d'hydrogène voyagent à travers la galaxie vers la Terre d'une manière similaire, mais, étonnamment, que le fer arrive sur Terre différemment. En savoir plus sur la façon dont les rayons cosmiques se déplacent à travers la galaxie permet d'aborder un problème fondamental, question persistante en astrophysique :comment la matière est-elle générée et distribuée dans l'univers ?

« Alors, que signifie cette découverte ? » demande John Krizmanic, un scientifique principal au Centre des sciences et technologies spatiales (CSST) de l'UMBC. "Ce sont des indicateurs de quelque chose d'intéressant qui se passe. Et ce que quelque chose d'intéressant est que nous allons devoir voir."

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques - des atomes dépouillés de leurs électrons - qui traversent constamment l'espace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Ils pénètrent dans l'atmosphère terrestre à des énergies extrêmement élevées. Les informations sur ces rayons cosmiques peuvent donner aux scientifiques des indices sur leur origine dans la galaxie et sur le type d'événement qui les a générés.

Un instrument de la Station spatiale internationale (ISS) appelé télescope calorimétrique électronique (CALET) collecte des données sur les rayons cosmiques depuis 2015. Les données incluent des détails tels que le nombre et les types d'atomes qui arrivent, et avec quelle énergie ils arrivent. L'Américain, Italien, et les équipes japonaises qui gèrent CALET, y compris Krizmanic de l'UMBC et le postdoctorant Nick Cannady, collaboré à la nouvelle recherche.

Repassez en mouvement

Les rayons cosmiques arrivent sur Terre d'ailleurs dans la galaxie à une vaste gamme d'énergies, allant de 1 milliard de volts à 100 milliards de milliards de volts. L'instrument CALET est l'un des rares dans l'espace à pouvoir fournir des détails précis sur les rayons cosmiques qu'il détecte. Un graphique appelé spectre de rayons cosmiques montre combien de rayons cosmiques arrivent au détecteur à chaque niveau d'énergie. Les spectres du carbone, oxygène, et les rayons cosmiques de l'hydrogène sont très similaires, mais la principale conclusion du nouveau document est que le spectre du fer est significativement différent.

Il existe plusieurs possibilités pour expliquer les différences entre le fer et les trois éléments plus légers. Les rayons cosmiques pourraient accélérer et voyager à travers la galaxie différemment, bien que les scientifiques croient généralement comprendre ce dernier, dit Krizmanic.

"Ce qu'il faut souligner, c'est que la façon dont les éléments nous parviennent des sources est différente, mais il se peut que les sources soient également différentes, " ajoute Michael Cherry, professeur de physique émérite à la Louisiana State University (LSU) et co-auteur du nouvel article. Les scientifiques pensent généralement que les rayons cosmiques proviennent d'étoiles en explosion (supernovae), mais les étoiles à neutrons ou les étoiles très massives pourraient être d'autres sources potentielles.

Précision de niveau supérieur

Un instrument comme CALET est important pour répondre aux questions sur la façon dont les rayons cosmiques accélèrent et voyagent, et d'où ils viennent. Les instruments au sol ou les ballons volant haut dans l'atmosphère terrestre étaient la principale source de données sur les rayons cosmiques dans le passé. Mais au moment où les rayons cosmiques atteignent ces instruments, ils ont déjà interagi avec l'atmosphère terrestre et se sont décomposés en particules secondaires. Avec des instruments terrestres, il est presque impossible d'identifier avec précision combien de rayons cosmiques primaires et quels éléments arrivent, plus leurs énergies. Mais CALET, être sur l'ISS au-dessus de l'atmosphère, peut mesurer les particules directement et distinguer les éléments individuels avec précision.

Le fer est un élément particulièrement utile à analyser, explique Cannady, un postdoc à la CSST et un ancien Ph.D. étudiant avec Cherry à LSU. En route vers la Terre, les rayons cosmiques peuvent se décomposer en particules secondaires, et il peut être difficile de faire la distinction entre les particules originales éjectées d'une source (comme une supernova) et les particules secondaires. Cela complique les déductions sur l'origine des particules.

« Alors que les choses interagissent sur leur chemin vers nous, alors vous obtiendrez essentiellement des conversions d'un élément à un autre, " Cannady dit. " Le fer est unique, en ce qu'il s'agit de l'une des choses les plus lourdes pouvant être synthétisées dans une évolution stellaire régulière, nous sommes à peu près certains qu'il s'agit à peu près de tous les rayons cosmiques primaires. C'est le seul rayon cosmique primaire pur, où avec d'autres, vous aurez également des composants secondaires. "

"Fait de poussière d'étoile"

La mesure des rayons cosmiques donne aux scientifiques une vue unique sur les processus à haute énergie qui se déroulent loin, loin. Les rayons cosmiques arrivant à CALET représentent "l'étoffe dont nous sommes faits. Nous sommes faits de poussière d'étoile, " dit Cherry. " Et les sources énergétiques, des choses comme les supernovas, éjecter ce matériau de leur intérieur, dans la galaxie, où il est distribué, forme de nouvelles planètes, systèmes solaires, et nous."

"L'étude des rayons cosmiques est l'étude de la façon dont l'univers génère et distribue la matière, et comment cela affecte l'évolution de la galaxie, " Krizmanic ajoute. " C'est donc vraiment l'étude de l'astrophysique de ce moteur que nous appelons la Voie lactée qui projette tous ces éléments. "

Un effort mondial

L'agence spatiale japonaise a lancé CALET et dirige aujourd'hui la mission en collaboration avec les équipes américaine et italienne. Aux Etats-Unis., l'équipe CALET comprend des chercheurs du LSU; Centre de vol spatial Goddard de la NASA ; UMBC ; Université du Maryland, Parc du Collège ; Université de Denver; et l'Université de Washington. Le nouvel article est le cinquième de cette collaboration internationale très réussie publiée dans PRL, l'une des revues de physique les plus prestigieuses.

CALET a été optimisé pour détecter les électrons des rayons cosmiques, car leur spectre peut contenir des informations sur leurs sources. C'est particulièrement vrai pour les sources qui sont relativement proches de la Terre en termes galactiques :à moins d'un trentième de la distance à travers la Voie lactée. Mais CALET détecte aussi très précisément les noyaux atomiques des rayons cosmiques. Maintenant, ces noyaux offrent des informations importantes sur les sources des rayons cosmiques et comment ils sont arrivés sur Terre.

"Nous ne nous attendions pas à ce que les noyaux - le carbone, oxygène, protons, fer - commencerait vraiment à montrer certaines de ces différences détaillées qui indiquent clairement des choses que nous ne savons pas, " dit Cerise.

La dernière découverte crée plus de questions qu'elle n'apporte de réponses, soulignant qu'il reste encore beaucoup à apprendre sur la façon dont la matière est générée et se déplace dans la galaxie. « C'est une question fondamentale :comment faites-vous de la matière ? dit Krizmanic. Mais, il ajoute, "C'est tout l'intérêt de la raison pour laquelle nous nous sommes lancés dans cette entreprise, pour essayer de mieux comprendre le fonctionnement de l'univers."