Comme Futura l'expliquait dans un précédent article (voir ci-dessous), il est bien connu que les rayons cosmiques ont été découverts en 1912 par le physicien autrichien Victor Franz Hess (1883-1964), ce qui lui vaudra la moitié du prix Nobel de physique de 1936, l'autre moitié ayant été attribuée à Carl Anderson pour sa découverte du positron.

Les rayons cosmiques sont des particules subatomiques constituées principalement de protons, de noyaux d'hélium, mais aussi de certains éléments plus lourds, comme l'oxygène, le carbone, l'azote ou encore le fer. Le Soleil et les autres étoiles émettent des rayons cosmiques de relativement faible énergie, tandis que les rayons cosmiques d'énergie moyenne et haute proviennent très probablement des supernovae en relation avec le mécanisme d’accélération de Fermi.

Il existe par contre des rayons cosmiques possédant des énergies ultra-hautes, que l'on appelle des UHECR (Ultra-High Energy Cosmic Rays), et dont on ne comprend pas bien quelles peuvent en être les sources. On soupçonne qu'il s'agit là encore de mécanismes du genre de ceux de Fermi, mais qui prendraient naissance dans les noyaux actifs de galaxies, ce qui est probablement le cas pour des neutrinos avec des trous noirs supermassifs. Ces UHECR peuvent être cent millions de fois plus énergétiques que tout ce que l'on sait obtenir des accélérateurs de particules. 

Comme le rappelle un communiqué de la Penn State University, aux États-Unis, à l'occasion d'une publication dans la revue Physical Review Letters et dont on peut trouver une version en accès libre sur arXiv, un des UHECR les plus extrêmes jamais enregistrés est la particule « Amaterasu », détectée par le Telescope Array (un cousin de l'Observatoire Auger) dans l'Utah en 2021.

Une particule plus petite qu'un atome avec l'énergie cinétique d'une balle de tennis

La particule a été nommée d'après la déesse solaire de la mythologie japonaise et son énergie mesurée était d'environ 240 exaélectronvolts, soit approximativement l'énergie cinétique d'une balle de tennis lancée. C'est extraordinaire si l'on garde à l'esprit que cette énergie était nécessairement portée par une particule certainement plus petite qu'un atome, probablement de l'ordre de grandeur d'un proton. Pour mémoire, le diamètre d'un proton est d'environ 10⁻¹⁵ m, soit environ 100 000 fois plus petit qu'un atome.

L'histoire de la recherche sur les rayons cosmiques est une véritable aventure scientifique. Depuis près d'un siècle, les chercheurs escaladent des montagnes, planent en montgolfière et parcourent les confins de la Terre pour comprendre ces particules énergétiques venues de l'espace. Ils ont résolu certains mystères scientifiques et en ont révélé bien d'autres. À chaque décennie, les scientifiques découvrent des rayons cosmiques de plus en plus énergétiques et rares. Le projet Pierre Auger est la plus vaste entreprise scientifique jamais menée pour rechercher les sources inconnues des rayons cosmiques les plus énergétiques jamais observés. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © American Museum of Natural History

On l'a dit, on ne sait pas très bien quelles sont les sources qui produisent des UHECR, même si l'on a des idées, par exemple avec des collisions d'étoiles à neutrons exotiques que sont des magnétars, des effondrements d'étoiles donnant des hypernovae comme celles qui se cachent derrière certains sursauts gamma, ou encore des processus aux abords des trous noirs supermassifs en rotation accrétant des flots de matière.

Il y a un autre problème avec certains UHECR. Des calculs naïfs conduisent à penser qu'ils ne devraient  pas exister car ils semblent violer la limite GZK. Cette limite sur l'énergie et la distance que peuvent parcourir des UHECR provient du fait que ces rayons cosmiques, notamment des protons, doivent perdre de l'énergie en interagissant avec les photons du rayonnement fossile pendant leur voyage intergalactique.

Des particules beaucoup plus lourdes que des noyaux de fer ?

Toujours est-il que selon Kohta Murase, professeur de physique, d'astronomie et d'astrophysique au Penn State Eberly College of Science, et ses collègues, la particule « Amaterasu » ne violerait en fait pas la limite GZK, ce qui a parfois laissé penser certains qu'une nouvelle physique était en jeu.

En effet, dans l'article de Physical Review Letters, les astrophysiciens des particules expliquent que grâce à des simulations numériques nouvelles ils pensent avoir mis fin au mystère. Ces simulations montrent en effet qu'Amaterasu perdrait beaucoup moins d'énergie avec une « friction » continuelle avec le rayonnement fossile, si l'on admettait qu'elle est en fait sous la forme d'un noyau beaucoup plus lourd qu'un noyau de fer.

« Nos recherches ont montré qu'à des énergies comparables à celle de la particule Amaterasu, les noyaux ultra-lourds perdent de l'énergie plus lentement que les protons ou les noyaux de masse intermédiaire, ce qui leur permet de mieux survivre aux distances cosmiques et d'atteindre la Terre à des énergies extrêmes. Nous ne prétendons pas que tous les rayons cosmiques de très haute énergie sont des noyaux ultra-lourds. Mais si certains des événements les plus énergétiques sont des noyaux ultra-lourds, cela influencerait notre façon de rechercher leurs sources », explique Kohta Murase dans le communiqué de l'Université de Pennsylvanie.