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Ces rayons cosmiques qui parlent de l’univers

Quelles sont ces particules cosmiques dotées d'autant d'énergie qu'une balle de fusil ? Et quel cataclysme a bien pu les produire ? Pour le savoir, dix-sept pays ont conçu un gigantesque appareil de détection, l'Observatoire Pierre Auger. Découverte avec Tiina Suomijärvi, professeur de physique des astroparticules (Paris-Sud).

La Voie lactéeLa planète Terre fait partie de la galaxie appelée Voie lactée, l’une des nombreuses galaxies de l’Univers. Elle est parcourue par un grand nombre de rayons cosmiques d’énergie variable parmi eux les rayons d’énergie extrême.
© DR

Ils sont partout. Chaque jour, nous sommes traversés par des millions de rayons provenant du cosmos. Rien de plus banal, donc. À ceci près que, parmi ceux-ci, certains sont particulièrement énergétiques car les particules qui les composent peuvent posséder une énergie considérable (jusqu'à 100 milliards de milliards d'électrons-volts, une grandeur exceptionnelle, cent millions de fois supérieure à celle atteinte par les accélérateurs de particules les plus performants ! Rien d’étonnant, après cela, qu’en croisant la Terre elles percutent des atomes de l’atmosphère terrestre et se désintègrent, donnant naissance, dans la collision, à des milliards de particules-filles.

Pour savoir ce que sont ces particules d’ultra-haute énergie et, surtout, quel mécanisme d’une violence inouïe a pu les engendrer et les accélérer dans l’Univers, a été construit un détecteur étonnant en Argentine. L’Observatoire Pierre Auger, du nom d’un physicien français, se déploie sur 3 000 km² dans la pampa. Son caractère hybride - il est composé de deux types d’instrument d’observation différents - et sa taille gigantesque en font un outil d’exception dont les premiers résultats viennent d’être analysés.

01.La découverte des rayons cosmiques

    Portrait de Pierre AugerPierre Auger (1899-1993) est le premier scientifique à avoir démontré l’existence des gerbes de particules. Ce physicien français a travaillé en physique atomique, physique nucléaire et en rayons cosmiques. Il a été membre de l’Académie des sciences.
© CERN
L’histoire des rayons cosmiques commence aux alentours de 1785. Le Français Augustin de Coulomb avait, à l’époque, conçu un appareil permettant de mesurer les attractions et les répulsions entre des sphères chargées électriquement. Mais, d’une manière inexplicable, ces sphères finissaient par perdre leur charge. Il fallait que d’autres corps également chargés les aient heurtées pour qu’il en soit ainsi. Mais lesquelles ? Fallait-il comprendre que l’air lui-même contenait des corps marqués électriquement ? Et, dans ce cas, quel agent pouvait bien avoir ainsi ionisé l’air, c’est-à-dire l’avoir dissocié en particules chargées positivement et négativement ?

Au tout début du XXe siècle, un Néerlandais, le père Theodor Wulf, monta un électroscope jusqu’en haut de la tour Eiffel. Il voulait vérifier une idée dont on parlait de plus en plus. Des rayonnements provenant du cosmos étaient peut-être responsables de cette ionisation. Auquel cas le nombre de particules d’air ionisées devait être plus élevé à mesure qu’on s’élevait dans l’atmosphère. Mais l’expérience ne permit pas de conclure.

Il aura fallu le courage d’un physicien autrichien pour apporter une réponse définitive à cette énigme, en 1912. Viktor Hess organisa sept ascensions en ballon gonflé à l’hydrogène, un gaz hautement inflammable, jusqu’à plus de 3 000 m et sans masque à oxygène. Comme l’écrit Michel Crozon dans un livre passionnant, Quand le ciel nous bombarde : "Les mesures étaient sans ambiguïté. (…) L’ionisation croissait à mesure qu’on s’élevait pour atteindre des valeurs deux ou trois fois plus élevées qu’au sol." Ainsi pouvait-on affirmer que les rayons cosmiques existaient et qu’ils étaient responsables de l’ionisation de l’atmosphère.

En 1930, un Français, Pierre Auger découvrit un autre phénomène étonnant. Certaines particules du rayonnement cosmique sont dotées de tant d’énergie cinétique que, entrant en collision avec des particules de l’atmosphère, elles se scindent en une myriade de sous-éléments. Ce "feu d’artifice" prend la forme d’une gerbe que Pierre Auger fut le premier à mettre en évidence. Il espaça plusieurs compteurs Geiger de quelques centaines de mètres. Et ces détecteurs indiquèrent qu’un grand nombre de particules parvenaient au sol de façon presque simultanée. Bref, qu’une gerbe de particules venait d’avoir été créée.

02.De l'énergie à revendre

Une SupernovaeLes supernovae – étoiles qui explosent - comptent parmi les grands producteurs « identifiés » de rayons cosmiques.
© NASA/ESA
Depuis ces époques pionnières, les scientifiques ont appris que l’Univers est parcouru par un grand nombre de particules diverses. Les rayons cosmiques qu’elles composent sont en si grand nombre "qu’au cours d’une nuit de sommeil, votre corps est traversé par plus de trois millions d’entre eux," explique Tiina Suomijärvi, chercheuse à l’Institut de physique nucléaire d’Orsay.

L’origine des astroparticules les moins énergétiques, celles dont l’énergie ne dépasse pas 1 018 électronvolts (eV), est aujourd’hui connue. Le Soleil, par exemple, en est un grand pourvoyeur. Sa surface est agitée de sursauts qui projettent dans l’espace de grandes quantités de matière. Les supernovae comptent également parmi les grands producteurs de rayons cosmiques. Il s’agit d’étoiles très massives qui explosent en fin de vie, répandant toute la matière dont elles étaient constituées dans l’espace.

Les rayons cosmiques de haute énergie, au-delà de 1 018 eV, en revanche, résistent à l’analyse des astrophysiciens. Tout d’abord, la quantité d’énergie qu’ils ont accumulée les étonne. En 1992, par exemple, la gerbe produite par une particule unique, provenant de l’espace, a paru si exceptionnelle que les physiciens ont cru que leur détecteur s’était trompé. Elle transportait une énergie comparable à celle d’une balle de fusil, soit 3,2 x 1 020 eV ! Un chiffre étonnant pour un corpuscule qui pèse quelque 10-24 gramme, c’est-à-dire cent milliardièmes de milliardièmes de gramme !

Comme l’avait observé Pierre Auger, de telles particules sont capables, lorsqu’elles entrent en collision avec un atome de l’atmosphère terrestre, d’engendrer un grand nombre de sous-particules. Jusqu’à 10 milliards, estime-t-on aujourd’hui ! Mais on ignore encore quel phénomène spatial, d’une violence inimaginable, a pu leur fournir une telle énergie… Il faut en tout cas que ces phénomènes se soient déroulés en dehors de notre galaxie, à des milliards de milliards de kilomètres de nous. Du moins lorsque les particules qu’ils nous ont envoyées sont de haute énergie, plus de 1 018 eV. Ainsi l’étude des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (ou UHECR, Ultra high ernergy cosmic ray) ouvre-t-elle une fenêtre sur l’Univers extrême, un univers encore inconnu.

03.L'Observatoire Pierre Auger : une fenêtre sur l'Univers extrême

Cuves de l’Observatoire Pierre AugerQuelques-unes des 1600 cuves de 12 mètres carrés, juste avant leur installation dans la pampa argentine. Une fois installées et remplies d’eau très pure, elles servent de détecteurs de particules.
© Observatoire Pierre Auger
Pour en savoir plus sur ces rayons cosmiques, dix-sept pays se sont rassemblés et ont créé l’un des plus spectaculaires détecteurs au monde. Les particules d’ultra-haute énergie sont extrêmement rares. "Il faudrait attendre un siècle pour avoir une chance d’en recevoir une, dotée d’une énergie de 1 020 eV, sur une surface d’un kilomètre carré. C’est pourquoi l’Observatoire Pierre Auger, dédié à l’étude de ces rayonnements, se déploie sur pas moins de 3 000 m²," explique Tiina Suomijärvi, responsable de l’électronique de surface de cette installation.

Mis en place en Argentine, dans la pampa, il est constitué de 1 600 détecteurs répartis tous les kilomètres et demi. Il s’agit de cuves de 12 m³ remplies d’eau très pure. Les sous-particules qui les traversent y émettent de la "lumière Cherenkov" captée par des photomultiplicateurs. Ainsi la campagne est-elle constellée de ces drôles de cuves, ce qui ne semble pas troubler les vaches, lesquelles paissent paisiblement autour. Par ailleurs, les scientifiques ont souhaité expliquer leur projet aux habitants, principalement de petits éleveurs. Ainsi, "des campagnes d’information ont tout de même été organisées à leur intention pour expliquer notre démarche," note Tiina Suomijärvi. Par ailleurs, un programme a été mis en place avec les écoles, afin de faire comprendre aux enfants les enjeux de cette recherche.


Schéma explicatif de l’Observatoire Pierre AugerSchéma présentant les différents éléments constitutifs de l’Observatoire Pierre Auger.
© IN2P3

Le site a été choisi parce qu’il est plan, ce qui permet aux cuves de communiquer aisément leurs résultats par ondes radio. La région, où l’on ne trouve aucune grande ville, est exceptionnellement sombre la nuit, et habituellement sans nuage ni humidité, condition de fonctionnement importante pour les télescopes. Et, surtout, il le site se trouve à 1 400 m d’altitude, hauteur à laquelle les gerbes électromagnétiques sont particulièrement bien développées.

Grâce à ce dispositif complexe - qui a été officiellement inauguré fin 2005 - et aux informations qu’il fournit, les physiciens peuvent remonter à l’énergie des particules entrées dans l’atmosphère. Ils en déduisent la nature de la particule en question (proton, photon, etc.) ainsi que la direction d’où elle provient. En théorie, du moins. Car, pour l’heure, aucune source de production de ces particules ultra-énergétiques n’a été clairement identifiée.

04.A la recherche du cataclysme fondateur

Trou noir M87Un trou noir est caractérisé par le champ gravitationnel très fort qu’il produit, et qui a pour effet d’accélérer de façon impressionnante la matière qui l’environne, ce qui provoque l’émission de rayonnements très intenses. M87 est une galaxie très active où il a été repéré un objet de la taille de notre système solaire, possédant une masse 3.000.000.000 fois plus grande que celle du soleil, ce qui pourrait donc être un trou noir.
© NASA
Grâce aux premiers résultats obtenus, il est maintenant établi que la direction d’arrivée des rayons cosmiques de très haute énergie est anisotrope. Autrement dit, la distribution des rayons cosmiques dans le ciel n’est pas uniforme, ce qui laisse penser qu’on peut trouver leur source. C’est l’information que souhaitaient trouver les chercheurs. Après analyse, il semblerait qu’il y ait une corrélation entre les directions vers lesquelles pointent les rayons cosmiques et les "galaxies à noyaux actifs" au centre desquelles se trouvent d’importants trous noirs.

Les trous noirs sont des masses si gigantesques et si denses qu’ils se sont effondrés sur eux-mêmes. De ce fait, ils exercent une force de gravitation colossale, suffisante pour avaler tout ce qui a le malheur de passer à proximité, matière et même lumière. Certains trous noirs galactiques ont ainsi absorbé l’équivalent d’un milliard de soleils ! Et autour de ces trous noirs sont générés des jets de matière éjectant des particules avec des énergies extrêmes. Les rayons cosmiques pourraient être le produit de collisions dans ces jets monumentaux. Toutefois, cette hypothèse demande à être confirmée par d’autres méthodes, car l’identification des galaxies à noyaux actifs comme source des rayons cosmiques est rendue difficile du fait d’un nombre important d’objets astrophysiques dans ces régions.

Le deuxième résultat important permet de confirmer l’existence de la "coupure GZK" du nom de ses trois découvreurs Greisen, Zatsepin et Kuzmin. C’est en 1966 qu’ils ont mis en évidence cette loi : les particules cosmiques de haute énergie interagissent avec un autre rayonnement qui emplit l’Univers, le "fond cosmologique diffus", un peu comme elles le font avec l’atmosphère terrestre. Or les données obtenues par l’observatoire Pierre Auger indiquent clairement qu’il y a une suppression de flux des rayons cosmiques aux alentours de 5.1020 eV, là où on attend la coupure GZK. Cela conclut la polémique qui a duré plusieurs années à cause des résultats divergents obtenus d’un côté par le programme Agasa au Japon et de l’autre par le projet Hires aux États-Unis. C’est le second qui avait raison : les événements d’ultra-haute énergie enregistrés par le télescope américain étaient bien compatibles avec l’existence d’une coupure GZK.

Si l’observatoire n’a pas fini de fournir des informations, il a déjà permis de trancher sur l’existence de la coupure GZK et offre aussi la certitude que les rayons cosmiques d’énergie extrême sont d’origine extragalactique.

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