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    Dévoiler un mystère centenaire :d'où viennent les rayons cosmiques de la Voie Lactée

    Figure 1. Images schématiques de la production de rayons gamma à partir de protons et d'électrons de rayons cosmiques. Les protons des rayons cosmiques interagissent avec les protons interstellaires tels que l'hydrogène moléculaire et atomique. L'interaction crée un pion neutre qui se désintègre rapidement en deux photons gamma (processus hadronique). Les électrons des rayons cosmiques énergisent les photons interstellaires (principalement le fond diffus cosmologique ; CMB) en énergie de rayons gamma via la diffusion Compton inverse (processus leptonique). Crédit :Laboratoire d'Astrophysique, Université de Nagoya

    Des astronomes ont réussi pour la première fois à quantifier les composantes protoniques et électroniques des rayons cosmiques dans un vestige de supernova. Au moins 70 % des rayons gamma de très haute énergie émis par les rayons cosmiques sont dus à des protons relativistes, selon la nouvelle analyse d'imagerie de la radio, Radiographie, et le rayonnement gamma. Le site d'accélération des protons, les principaux composants des rayons cosmiques, a été un mystère de 100 ans dans l'astrophysique moderne, c'est la première fois que la quantité de rayons cosmiques produite dans un reste de supernova est quantitativement démontrée et c'est une étape historique dans l'élucidation de l'origine des rayons cosmiques.

    L'origine des rayons cosmiques, les particules les plus énergétiques de l'univers, est un grand mystère depuis leur découverte en 1912. Parce que les rayons cosmiques favorisent l'évolution chimique de la matière interstellaire, comprendre leur origine est essentiel pour comprendre l'évolution de notre Galaxie. On pense que les rayons cosmiques sont accélérés par les restes de supernova (les séquelles des explosions de supernova) dans notre Galaxie et ont voyagé jusqu'à la Terre à presque la vitesse de la lumière. Des progrès récents dans les observations de rayons gamma ont révélé que de nombreux restes de supernova émettent des rayons gamma à des énergies de téraélectronvolts (TeV). Si les rayons gamma sont produits par des protons, qui sont le composant principal des rayons cosmiques, alors l'origine des restes de supernova des rayons cosmiques peut être vérifiée. Cependant, les rayons gamma sont également produits par les électrons, il faut déterminer si l'origine du proton ou de l'électron est dominante, et de mesurer le rapport des deux contributions (voir aussi la figure 1). Les résultats de cette étude fournissent des preuves convaincantes des rayons gamma provenant de la composante protonique, qui est le composant principal des rayons cosmiques, et préciser que les rayons cosmiques galactiques sont produits par les restes de supernova.

    L'originalité de cette recherche est que le rayonnement gamma est représenté par une combinaison linéaire de composants protons et électrons. Les astronomes connaissaient une relation selon laquelle l'intensité des rayons gamma provenant des protons est proportionnelle à la densité de gaz interstellaire obtenue par les observations d'imagerie radio. D'autre part, les rayons gamma des électrons devraient également être proportionnels à l'intensité des rayons X des électrons. Par conséquent, ils ont exprimé l'intensité totale des rayons gamma comme la somme de deux composantes de rayons gamma, l'un de l'origine du proton et l'autre de l'origine de l'électron. Cela a conduit à une compréhension unifiée de trois observables indépendants (Figure 2). Cette méthode a été proposée pour la première fois dans cette étude. Par conséquent, il a été montré que les rayons gamma des protons et des électrons représentent 70% et 30% du total des rayons gamma, respectivement. C'est la première fois que les deux origines sont quantifiées. Les résultats démontrent également que les rayons gamma des protons sont dominés dans les régions interstellaires riches en gaz, tandis que les rayons gamma des électrons sont renforcés dans la région pauvre en gaz. Cela confirme que les deux mécanismes fonctionnent ensemble et soutiennent les prédictions des études théoriques précédentes.

    Figure 2. Cartes d'intensité des rayons gamma Ng, densité de gaz interstellaire Np, et l'intensité des rayons X Nx. Crédit :Laboratoire d'Astrophysique, Université de Nagoya

    "Cette nouvelle méthode n'aurait pas pu être réalisée sans collaborations internationales, ", déclare le professeur émérite Yasuo Fukui de l'Université de Nagoya. Il a dirigé ce projet et a quantifié avec précision la distribution de la densité de gaz interstellaire à l'aide du radiotélescope NANTEN et du réseau compact du télescope australien depuis 2003. Bien que la résolution des rayons gamma était insuffisante pour effectuer une analyse complète à ce moment-là , Le professeur Gavin Rowell et le Dr Sabrina Einecke de l'Université d'Adélaïde et de la H.E.S.S. l'équipe a considérablement amélioré la résolution spatiale et la sensibilité des rayons gamma au fil des ans, permettant de les comparer précisément avec le gaz interstellaire. Le Dr Hidetoshi Sano de l'Observatoire astronomique national du Japon a dirigé l'analyse par imagerie par rayons X des ensembles de données d'archives du satellite européen à rayons X XMM-Newton. Le Dr Einecke et le Pr Rowell ont travaillé en étroite collaboration avec le Pr Fukui et le Dr Sano pour réaliser les études détaillées qui ont examiné les corrélations entre les rayons gamma, Rayons X et émission radio. "Cette nouvelle méthode sera appliquée à davantage de restes de supernova en utilisant le télescope à rayons gamma de nouvelle génération CTA (Cherenkov Telescope Array) en plus des observatoires existants, ce qui fera considérablement progresser l'étude de l'origine des rayons cosmiques."

    Figure 3. Ajustement tridimensionnel d'un plan plat exprimé par une équation de Ng =a Np + b Nx, où a et b sont des constantes. Les points de données sont colorés par le code de la figure en fonction de Ng et sont représentés par des symboles remplis et ouverts pour ceux au-dessus et au-dessous du plan. Le bleu, vert, jaune, et le rouge représente Ng est inférieur à 1,2 compte arcmin-2, 1,2–1,7 compte arcmin-2, 1,7 à 2,2 comptes arcmin-2, et supérieur à 2,2 comptes arcmin-2, respectivement. Le bleu, vert, Orange, rouge, et les lignes pointillées violettes sur le plan le mieux ajusté indiquent 1,0, 1.5, 2.0, 2.5, et 3.0 compte arcmin-2, respectivement. Crédit :Laboratoire d'Astrophysique, Université de Nagoya




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