A l'Observatoire Pierre Auger en Argentine, des rayons cosmiques ont été détectés dans des galaxies lointaines. Crédit :Observatoire Pierre Auger
Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Science , la collaboration Pierre Auger a définitivement répondu à la question de savoir si des particules cosmiques provenaient de l'extérieur de la Voie lactée. L'article, intitulé "Observation d'une anisotropie à grande échelle dans les directions d'arrivée des rayons cosmiques au-dessus de 8 × 1018 eV", note que l'étude de la distribution des directions d'arrivée des rayons cosmiques est la première étape pour déterminer l'origine des particules extragalactiques.
Les scientifiques collaborateurs ont pu faire leurs enregistrements en utilisant le plus grand observatoire de rayons cosmiques jamais construit, l'Observatoire Pierre Auger en Argentine. Inclus dans cette collaboration sont David Nitz et Brian Fick, professeurs de physique à l'Université technologique du Michigan.
"Nous sommes maintenant considérablement plus près de résoudre le mystère de l'endroit et de la façon dont ces particules extraordinaires sont créées, une question d'un grand intérêt pour les astrophysiciens, " dit Karl-Heinz Kampert, professeur à l'Université de Wuppertal en Allemagne et porte-parole de la Collaboration Auger, qui implique plus de 400 scientifiques de 18 pays.
Les rayons cosmiques sont les noyaux des éléments allant de l'hydrogène au fer. Les étudier donne aux scientifiques un moyen d'étudier la matière de l'extérieur de notre système solaire - et maintenant, en dehors de notre galaxie. Les rayons cosmiques nous aident à comprendre la composition des galaxies et les processus qui se produisent pour accélérer les noyaux à presque la vitesse de la lumière. En étudiant les rayons cosmiques, les scientifiques peuvent arriver à comprendre quels mécanismes créent les noyaux.
L'astronome Carl Sagan a dit un jour :"L'azote dans notre ADN, le calcium dans nos dents, le fer dans notre sang, le carbone de nos tartes aux pommes a été fabriqué à l'intérieur d'étoiles en train de s'effondrer. Nous sommes faits d'étoiles."
Pour faire simple, comprendre les rayons cosmiques et leur origine peut nous aider à répondre à des questions fondamentales sur les origines de l'univers, notre galaxie et nous-mêmes.
Cette carte illustre l'emplacement des détecteurs de surface dans le réseau. Crédit :Observatoire Pierre Auger
Incroyablement énergique et voyageant loin
Il est extrêmement rare que des rayons cosmiques d'une énergie supérieure à deux joules atteignent la Terre; le taux de leur arrivée au sommet de l'atmosphère n'est que d'environ un par kilomètre carré par an, l'équivalent d'un rayon cosmique frappant une zone de la taille d'un terrain de football environ une fois par siècle.
Un joule est une mesure d'énergie; un joule équivaut à un 3, 600e de watt-heure. Lorsqu'une particule de rayon cosmique frappe l'atmosphère terrestre, cette énergie est déposée en quelques millionièmes de seconde.
Ces particules rares sont détectables car elles créent des pluies d'électrons, photons et muons par des interactions successives avec les noyaux de l'atmosphère. Ces averses s'étalent, balayant l'atmosphère à la vitesse de la lumière dans une structure en forme de disque, comme une assiette géante, plusieurs kilomètres de diamètre. Ils contiennent plus de 10 milliards de particules.
A l'Observatoire Pierre Auger, les rayons cosmiques sont détectés en mesurant la lumière Cherenkov - rayonnement électromagnétique émis par des particules chargées traversant un milieu, comme l'eau, à une vitesse supérieure à la vitesse de phase de la lumière dans ce milieu. L'équipe mesure la lumière Cherenkov produite dans un détecteur, qui est une grande structure en plastique qui contient 12 tonnes d'eau. Ils captent un signal dans quelques détecteurs dans un réseau de 1, 600 détecteurs.
Les détecteurs sont répartis sur 3, 000 kilomètres carrés près de la ville de Malargüe dans l'ouest de l'Argentine, une zone comparable en taille à Rhode Island. Les heures d'arrivée des particules aux détecteurs, mesuré avec des récepteurs GPS, sont utilisés pour déterminer la direction à partir de laquelle les particules sont venues à environ un degré.
En étudiant la distribution des directions d'arrivée de plus de 30, 000 particules cosmiques, la Collaboration Auger a découvert une anisotropie, qui est la différence dans le taux d'arrivées de rayons cosmiques selon la direction dans laquelle vous regardez. Cela signifie que les rayons cosmiques ne viennent pas uniformément de toutes les directions; il y a une direction à partir de laquelle le taux est plus élevé.
David Nitz montre une carte de circuit imprimé de détecteur de surface améliorée. Crédit :Kelley Christensen
L'anisotropie est significative à 5,2 écarts-types (une chance d'environ deux sur dix millions) dans une direction où la distribution des galaxies est relativement élevée. Bien que cette découverte indique clairement une origine extragalactique pour les particules, les sources spécifiques des rayons cosmiques sont encore inconnues.
La direction pointe vers une vaste zone du ciel plutôt que vers des sources spécifiques, car même de telles particules énergétiques sont déviées de quelques dizaines de degrés dans le champ magnétique de notre galaxie.
Des rayons cosmiques ont été observés avec une énergie encore plus élevée que ceux utilisés dans l'étude de la Collaboration Pierre Auger, certains même avec l'énergie cinétique d'une balle de tennis bien frappée. Comme les déflexions de ces particules devraient être plus petites en raison de leur énergie plus élevée, les directions d'arrivée doivent pointer plus près de leurs lieux de naissance. De tels rayons cosmiques sont encore plus rares et d'autres études sont en cours pour déterminer quels objets extragalactiques en sont les sources.
La connaissance de la nature des particules facilitera cette identification, et la poursuite des travaux sur ce problème est ciblée dans la mise à niveau de l'observatoire Auger qui doit être achevée en 2018.
Il faut un village (global)
Mener ce calibre de science n'est pas l'entreprise d'un seul individu. Plus de 400 scientifiques ont contribué à la recherche. Chez Michigan Tech, David Nitz, professeur de physique, contribue à l'électronique qui enregistre les signaux dans les réservoirs d'eau. Il a écrit le code qui est programmé dans les circuits, qui convertit la lumière Cherenkov dans les détecteurs des réservoirs d'eau en signaux numériques. Cela permet au matériel de prendre des décisions très rapides concernant les signaux enregistrés dans les réservoirs et s'ils méritent une analyse plus approfondie.
"J'aime vraiment ce genre de science. Mais je suis un gars pratique, " Nitz dit. "Je visualise comment nous passons du concept à la construction d'un instrument afin que nous puissions aborder cette science. C'est ce que j'ai fait toute ma carrière scientifique :répondre à la question de savoir comment procéder pour effectuer ces mesures. »
Une partie de la mise à niveau de l'observatoire Auger consiste à remplacer les anciennes cartes de circuits imprimés par de nouvelles qui ont une plus grande capacité à traiter les signaux plus rapidement et avec plus de précision, et incorporer les signaux de détecteurs supplémentaires. Ces détecteurs supplémentaires comprennent un détecteur scintillateur au dessus de chaque détecteur de surface, et ajouter un quatrième tube photomultiplicateur à chaque détecteur.
