Depuis des décennies, les chercheurs ont supposé que les rayons cosmiques qui bombardent régulièrement la Terre depuis les confins de la galaxie sont nés lorsque les étoiles deviennent des supernova, lorsqu'elles deviennent trop massives pour supporter la fusion qui se produit dans leurs noyaux et explosent.

Ces gigantesques explosions propulsent en effet des particules atomiques à la vitesse de la lumière sur de grandes distances. Cependant, de nouvelles recherches suggèrent que même les supernovae - capables de dévorer des systèmes solaires entiers - ne sont pas assez puissantes pour imprégner les particules des énergies soutenues nécessaires pour atteindre les pétaélectronvolts (PeV), la quantité d'énergie cinétique atteinte par les rayons cosmiques de très haute énergie.

Et pourtant, des rayons cosmiques ont été observés frappant l'atmosphère terrestre exactement à ces vitesses, leur passage marqué, par exemple, par les réservoirs de détection de l'observatoire des eaux de haute altitude Cherenkov (HAWC) près de Puebla, Mexique. Au lieu de supernovae, les chercheurs postulent que les amas d'étoiles comme le Cygnus Cocoon servent de PeVatrons (accélérateurs PeV) capables de déplacer des particules à travers la galaxie à des taux d'énergie aussi élevés.

Leur recherche de changement de paradigme fournit des preuves convaincantes que les régions de formation d'étoiles sont des PeVatrons et est publiée dans deux articles récents dans Astronomie de la nature et Lettres de revues astrophysiques .

Une caractéristique de la recherche en physique est son degré de collaboration. La recherche a été menée par Petra Huentemeyer, professeur de physique à l'Université technologique du Michigan, avec la récente diplômée Binita Hona '20, doctorant Dezhi Huang, ancienne postdoctorante MTU Henrike Fleischhack (maintenant à l'Université catholique/NASA GSFC/CRESST II), Sabrina Casanova à l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie, Ke Fang à l'Université du Wisconsin et Roger Blanford à Stanford, ainsi que de nombreux autres collaborateurs de l'Observatoire HAWC.

Huentemeyer a noté que HAWC et des physiciens d'autres institutions ont mesuré les rayons cosmiques de toutes les directions et sur plusieurs décennies d'énergie. C'est en traquant les rayons cosmiques avec la plus haute énergie connue, PeV, que leur origine devient si importante.

"On pense que les rayons cosmiques en dessous de l'énergie PeV proviennent de notre galaxie, mais la question est quels sont les accélérateurs qui peuvent les produire, " a déclaré Huentemeyer.

Fleischhack a déclaré que le changement de paradigme que les chercheurs ont découvert est qu'avant, les scientifiques pensaient que les restes de supernova étaient les principaux accélérateurs de rayons cosmiques.

"Ils accélèrent les rayons cosmiques, mais ils ne sont pas capables d'atteindre les énergies les plus élevées, " elle a dit.

Donc, qu'est-ce qui détermine l'accélération des rayons cosmiques en énergie PeV ?

"Il y a eu plusieurs autres indices que les amas d'étoiles pourraient faire partie de l'histoire, " a déclaré Fleischhack. " Maintenant, nous obtenons la confirmation qu'ils sont capables d'aller aux énergies les plus élevées. "

Les amas d'étoiles sont formés à partir des restes d'un événement de supernova. Connu sous le nom de berceaux d'étoiles, ils contiennent des vents violents et des nuages ​​de débris tourbillonnants, tels que ceux notés par les chercheurs dans Cygnus OB2 et le cluster [BDS2003]8. À l'intérieur, plusieurs types d'étoiles massives connues sous le nom d'étoiles spectrales de type O et de type B sont rassemblées par centaines dans une zone d'environ 30 parsecs (108 années-lumière) de diamètre.

"Les étoiles spectrales de type O sont les plus massives, " dit Hona. " Quand leurs vents interagissent les uns avec les autres, des ondes de choc se forment, c'est là que l'accélération se produit."

Les modèles théoriques des chercheurs suggèrent que les photons gamma énergétiques vus par HAWC sont plus probablement produits par des protons que par des électrons.

"Nous utiliserons les télescopes de la NASA pour rechercher l'émission de contrepartie par ces particules relativistes à des énergies plus basses, " dit Croc.

L'énergie extrêmement élevée à laquelle les rayons cosmiques atteignent notre planète est remarquable. Des conditions spécifiques sont nécessaires pour accélérer les particules à de telles vitesses.

Plus l'énergie est élevée, plus il est difficile de confiner les particules – les connaissances glanées dans les accélérateurs de particules ici sur Terre à Chicago et en Suisse. Pour empêcher les particules de s'envoler, le magnétisme est nécessaire.

Les amas stellaires - avec leur mélange de vent et d'étoiles naissantes mais puissantes - sont des régions turbulentes avec différents champs magnétiques qui peuvent fournir le confinement nécessaire pour que les particules continuent à accélérer.

« Les restes de supernova ont des chocs très rapides où le rayon cosmique peut être accéléré ; cependant, ils n'ont pas le type de longues régions de confinement, " dit Casanova. "C'est à cela que servent les amas d'étoiles. C'est une association d'étoiles qui peut créer des perturbations qui confinent les rayons cosmiques et permettent aux chocs de les accélérer."

Mais comment mesurer les interactions atomiques à l'échelle galactique 5, 000 années-lumière de la Terre ? Les chercheurs ont utilisé 1, 343 jours de mesures des cuves de détection HAWC.

Huang a expliqué comment les physiciens de HAWC tracent les rayons cosmiques en mesurant les rayons gamma que ces rayons cosmiques produisent sur les sites d'accélération galactique :« Nous n'avons pas mesuré les rayons gamma directement; nous avons mesuré les rayons secondaires générés. Lorsque les rayons gamma interagissent avec l'atmosphère, ils génèrent des particules secondaires dans des gerbes de particules."

"Lorsque des averses de particules sont détectées à HAWC, on peut mesurer la gerbe et la charge de particules secondaires, " a déclaré Huang. "Nous utilisons les informations sur la charge et le temps des particules pour reconstruire les informations à partir du gamma primaire."

En plus de HAWC, les chercheurs prévoient de travailler avec le Southern Wide Field Gamma-ray Observatory (SWGO), un observatoire actuellement en phase de planification qui comportera des détecteurs de lumière Cherenkov comme HAWC mais sera situé dans l'hémisphère sud.

"Ce serait intéressant de voir ce que l'on peut voir dans l'hémisphère sud, " Huentemeyer a déclaré. "Nous aurons une bonne vue du centre galactique que nous n'avons pas dans l'hémisphère nord. SWGO pourrait nous donner beaucoup plus de candidats en termes d'amas d'étoiles."

De futures collaborations à travers les hémisphères promettent d'aider les scientifiques du monde entier à continuer à explorer les origines des rayons cosmiques et à en apprendre davantage sur la galaxie elle-même.