Un nouveau modèle relie les origines des neutrinos de très haute énergie, rayons cosmiques de très haute énergie, et les rayons gamma à haute énergie avec des jets de trous noirs intégrés dans leurs environnements.

L'un des plus grands mystères de la physique des astroparticules a été l'origine des rayons cosmiques de très haute énergie, neutrinos de très haute énergie, et les rayons gamma de haute énergie. Maintenant, un nouveau modèle théorique révèle qu'ils pourraient tous être projetés dans l'espace après que les rayons cosmiques aient été accélérés par de puissants jets de trous noirs supermassifs.

Le modèle explique les origines naturelles des trois types de particules "messagères cosmiques" simultanément, et est le premier modèle astrophysique de ce type basé sur des calculs numériques détaillés. Un article scientifique qui décrit ce modèle, produit par des scientifiques de Penn State et de l'Université du Maryland, sera publié en tant que publication anticipée en ligne sur le site Web de la revue Physique de la nature le 22 janvier 2018.

"Notre modèle montre un moyen de comprendre pourquoi ces trois types de particules messagères cosmiques ont une quantité étonnamment similaire d'entrée d'énergie dans l'univers, malgré le fait qu'elles soient observées par des détecteurs spatiaux et terrestres sur dix ordres de grandeur en énergie de particule individuelle, " dit Kohta Murase, professeur adjoint de physique et d'astronomie et d'astrophysique à Penn State. "Le fait que les intensités mesurées des neutrinos de très haute énergie, rayons cosmiques de très haute énergie, et les rayons gamma à haute énergie sont à peu près comparables, nous avons tenté de nous demander si ces particules extrêmement énergétiques ont des connexions physiques. Le nouveau modèle suggère que les neutrinos de très haute énergie et les rayons gamma de haute énergie sont naturellement produits via des collisions de particules en tant que particules filles de rayons cosmiques, et peuvent ainsi hériter du bilan énergétique comparable de leurs particules mères. Cela démontre que l'énergie similaire des trois messagers cosmiques n'est peut-être pas une simple coïncidence."

Les rayons cosmiques de très haute énergie sont les particules les plus énergétiques de l'univers - chacune d'elles porte une énergie trop élevée pour être produite même par le grand collisionneur de hadrons, l'accélérateur de particules le plus puissant au monde. Les neutrinos sont des particules mystérieuses et fantomatiques qui n'interagissent presque jamais avec la matière. neutrinos de très haute énergie, avec une énergie de plus d'un million de méga-électronvolts, ont été détectés dans l'observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique. Les rayons gamma ont l'énergie électromagnétique la plus connue - ceux dont l'énergie est plus d'un milliard de fois supérieure à celle d'un photon de lumière visible ont été observés par le télescope spatial à rayons gamma Fermi et d'autres observatoires au sol. "Combiner toutes les informations sur ces trois types de messagers cosmiques est complémentaire et pertinent, et une telle approche multi-messagers est devenue extrêmement puissante ces dernières années, " dit Murase.

Murase et le premier auteur de ce nouvel article, Ke Fang, un associé postdoctoral à l'Université du Maryland, tenter d'expliquer les dernières données multi-messagers des neutrinos de très haute énergie, rayons cosmiques de très haute énergie, et les rayons gamma de haute énergie, basé sur une configuration astrophysique unique mais réaliste. Ils ont constaté que les données multi-messagers peuvent être bien expliquées en utilisant des simulations numériques pour analyser le devenir de ces particules chargées.

« Dans notre modèle, les rayons cosmiques accélérés par de puissants jets de noyaux galactiques actifs s'échappent par les lobes radio que l'on trouve souvent à l'extrémité des jets, " dit Fang. " Ensuite, nous calculons la propagation et l'interaction des rayons cosmiques à l'intérieur des amas et des groupes de galaxies en présence de leur champ magnétique environnemental. Nous simulons en outre la propagation et l'interaction des rayons cosmiques dans les champs magnétiques intergalactiques entre la source et la Terre. Enfin, nous intégrons les contributions de toutes les sources de l'univers."

Les principaux suspects dans le mystère vieux d'un demi-siècle de l'origine des particules cosmiques les plus énergétiques de l'univers se trouvaient dans des galaxies appelées « noyaux galactiques actifs, " qui ont une région centrale super-rayonnante autour du trou noir supermassif central. Certains noyaux galactiques actifs sont accompagnés de puissants jets relativistes. Les particules cosmiques de haute énergie générées par les jets ou leurs environnements sont projetées dans l'espace presque aussi vite que la vitesse de la lumière.

"Notre travail démontre que les rayons cosmiques de très haute énergie s'échappant des noyaux galactiques actifs et de leurs environnements tels que les amas et les groupes de galaxies peuvent expliquer le spectre et la composition des rayons cosmiques de très haute énergie. Ils peuvent également expliquer certains des phénomènes inexpliqués découverts par expérimentations au sol, " dit Fang. " Simultanément, le spectre des neutrinos de très haute énergie au-dessus de cent millions de méga-électronvolts peut s'expliquer par des collisions de particules entre les rayons cosmiques et le gaz dans les amas et groupes de galaxies. Aussi, l'émission de rayons gamma associée provenant des amas de galaxies et de l'espace intergalactique correspond à la partie inexpliquée du fond diffus de rayons gamma de haute énergie qui n'est pas associée à un type particulier de noyau galactique actif."

"Ce modèle ouvre la voie à de nouvelles tentatives pour établir un modèle grand-unifié de la façon dont ces trois messagers cosmiques sont physiquement connectés les uns aux autres par la même classe de sources astrophysiques et les mécanismes communs des neutrinos de haute énergie et des rayons gamma production, " dit Murase. " Cependant, il y a aussi d'autres possibilités, et plusieurs nouveaux mystères doivent être expliqués, y compris les données de neutrinos dans la gamme de dix millions de méga-électronvolts enregistrées par l'observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique. Par conséquent, d'autres investigations basées sur des approches multi-messagers – combinant la théorie avec les trois données de messagers – sont cruciales pour tester notre modèle. »

Le nouveau modèle devrait motiver des études d'amas et de groupes de galaxies, ainsi que le développement d'autres modèles unifiés de particules cosmiques de haute énergie. Il devrait être testé rigoureusement lorsque les observations commenceront à être faites avec des détecteurs de neutrinos de nouvelle génération tels que IceCube-Gen2 et KM3Net, et le télescope à rayons gamma de nouvelle génération, Réseau de télescopes Cherenkov.

"L'âge d'or de l'astrophysique des particules multi-messagers a commencé très récemment, " dit Murase. " Maintenant, toutes les informations que nous pouvons apprendre de tous les différents types de messagers cosmiques sont importantes pour révéler de nouvelles connaissances sur la physique des particules cosmiques d'énergie extrême et une compréhension plus profonde de notre univers."