Dessin schématique d'un modèle pour l'origine des événements de point chaud TA. Crédit :Jihyun Kim et al., Sci. Av., 5(1), 2019
Parmi les nombreuses particules arrivant de l'espace extra-atmosphérique, il y en a avec l'énergie extrêmement élevée qui voyagent presque à la vitesse de la lumière, ce qui équivaut à une balle de baseball lancée à une vitesse de 100 mètres par seconde. Une nouvelle hypothèse sur l'origine de ces particules à ultra haute énergie a été proposée, attirant ainsi une attention particulière du monde entier.
Une équipe de chercheurs coréens, dirigé par le professeur Dongsu Ryu à l'École des sciences naturelles de l'UNIST, a jeté un nouvel éclairage sur l'origine mystérieuse de ces rayons cosmiques à ultra haute énergie (UHECR) qui a intrigué les astrophysiciens pendant des décennies. Leur étude suggère que ces particules proviennent des filaments de galaxies connectées à l'amas de la Vierge, dans le ciel autour du hotspot et leurs emplacements dans le ciel sont corrélés à des événements de hotspot avec une signification statistique élevée.
Les rayons cosmiques sont des particules subatomiques arrivant de l'espace extra-atmosphérique, qui ont une énergie élevée en raison de leur mouvement rapide. Parmi eux, les rayons cosmiques à ultra haute énergie (UHECR) sont ceux dont l'énergie dépasse 10 19 eV (environ 8 joules), un seuil connu sous le nom de limite Greisen-Zatsepin-Kuzmin (limite GZK). Ainsi, un UHECR est dix millions de fois plus énergétique que la plus haute énergie produite avec des accélérateurs de particules terrestres, qui est d'environ 10 13 eV.
Bien que les UHECR soient connus pour provenir principalement de l'extérieur de la galaxie de la Voie lactée, leur origine reste encore inconnue. Afin de résoudre le mystère des UHECR, un projet de collaboration internationale a été mis en place :le projet Telescope Array (TA), qui a été conçu pour collecter des données sur les hotspots UHECR.
Galaxies de l'amas de la Vierge. Crédit :Rogelio Bernal Andreo
Dans cette étude, Le professeur Ryu et son équipe de recherche se sont concentrés sur les récentes découvertes de l'AT—la détection d'une forte concentration d'événements UHECR dans le ciel du nord, appelé hotspot.
L'expérience TA, situé dans l'Utah, États-Unis, est la plus grande expérience étudiant les UHECR dans l'hémisphère nord et a détecté environ 72 UHECR (5,7 × 10 20 eV) sur 5 ans (à partir du 11 mai 2018 au 4 mai, 2013). Parmi eux, 19 UHECR sont arrivés d'un hotspot nouvellement découvert centré sur la constellation Ursa Major. Encore, près de la constellation de la Grande Ourse, il ne semble pas y avoir de corps célestes capables de produire des UHECR. Les astrophysiciens ont donc discuté de diverses possibilités à la recherche de l'origine des UHECR.
Pour essayer de résoudre ce mystère, Le professeur Ryu et son équipe de recherche ont analysé une base de données de galaxies proches, constatant qu'ils étaient étroitement associés à trois "filaments de galaxie, " qui sont connectés au cluster Virgo autour du hotspot. " Grâce à des simulations informatiques, nous avons démontré que les UHECR étaient en fait produits à l'intérieur de l'amas de la Vierge et voyageaient le long des filaments de la galaxie avant qu'ils n'atteignent l'atmosphère terrestre, " a expliqué le professeur Ryu, l'auteur correspondant de l'étude.
Radio galaxie Virgo A. Crédit :Observatoire national de radioastronomie (NRAO)/Universités associées, Inc. (AUI)
La structure de notre univers ressemble à une gigantesque toile d'araignée, composé d'amas de galaxies intimement reliés par de vastes structures, connu sous le nom de filaments. Ces filaments sont parmi les plus grandes structures de l'univers, mesurant des centaines de millions d'années-lumière de diamètre tout en contenant des millions de galaxies. Sur la base de leurs conclusions, l'équipe de recherche a suggéré un modèle pour l'origine des UHECR des hotspots d'AT. Ils ont noté que « [les UHECR autour de la concentration] sont produits à des sources dans le cluster Virgo, et s'échappent et se propagent le long des filaments, avant qu'ils ne soient dispersés vers nous.
"La ou les sources des UHECR pourraient être des objets astronomiques connus, comme la radio galaxie Virgo A ou les ondes de choc dans l'amas de la Vierge, plutôt que des inconnues, tels que des défauts cosmologiques ou des particules de matière noire, ", déclare le professeur Ryu. "Notre étude suggère fortement que de tels filaments de galaxies ou ondes de choc pourraient être à l'origine des événements UHECR."
Dessin schématique des trajectoires des protons UHE dans l'espace intergalactique d'un univers modèle simulé. Le cluster est représenté par le ton bleu, tandis que les filaments sont représentés par le ton rouge. Les trajectoires sont tracées avec des points blancs. Crédit :Jihyun Kim et al., Sci. Av., 5(1), 2019
« Comprendre l'origine des UHECR a été le plus grand mystère sans réponse du XXIe siècle, ", explique le professeur Ryu. "Notre étude apporte un nouvel éclairage sur l'origine mystérieuse des UHECR à travers les observations spatiales des UHECR".
Il ajoute, "Le modèle nouvellement suggéré pour l'origine des événements de points chauds TA pourrait potentiellement aider les scientifiques à se concentrer sur l'origine des UHECR à l'avenir."
