Pour les astrophysiciens, un rayon cosmique de très haute énergie - ou UHECR, pour ultra-high-energy cosmic ray - correspond à un rayon cosmique dont l'énergie est supérieure à un exaélectronvolt (EeV), soit 10¹⁸ eV. C'est bien plus que l'énergie de n'importe quelle autre particule issue de rayons cosmiques. Pas moins de 100 000 fois plus, aussi, que celle atteinte par les particules du Grand collisionneur de hadrons (LHC) de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern). Et ces rayons cosmiques de très haute énergie - ou du moins les particules qu'ils produisent en traversant notre atmosphère - restent difficiles à enregistrer par les chercheurs. Ainsi, en quelque 60 ans, ils n'ont toujours pas pu identifier leur origine.

Les regards se tournent vers les collisions d’étoiles à neutrons

Pour produire de tels rayons cosmiques de très haute énergie, les physiciens ont imaginé qu'il faudrait un accélérateur cosmique immense, doté d'un puissant champ magnétique. Ce qui les a d'abord orientés vers les noyaux galactiques actifs (AGN). Comprenez, vers les noyaux de galaxies qui tourbillonnent autour de trous noirs supermassifs. Mais les données d'observation n'ont pas pu le confirmer.

Ici, une simulation de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les couleurs plus rouges indiquent des densités plus faibles. Les rubans et lignes verts et blancs représentent les champs magnétiques. Les étoiles à neutrons en orbite perdent rapidement de l’énergie en émettant des ondes gravitationnelles et fusionnent après environ trois orbites, soit en moins de 8 millisecondes. La fusion amplifie et brouille le champ magnétique fusionné. Un trou noir se forme et le champ magnétique s’organise, produisant finalement des structures capables de soutenir les jets qui alimentent les sursauts gamma à très haute énergie. © Nasa, AEI, ZIB, M. Koppitz et L. Rezzolla

Dans les Physical Review Letters, des chercheurs de l'université de New York (États-Unis) avancent aujourd'hui une nouvelle hypothèse. Elle pourrait finalement expliquer bien des choses concernant ces rayons cosmiques à très haute énergie. Par exemple, le fait que les rayons cosmiques les plus énergétiques enregistrés jusqu'ici sont en fait constitués de noyaux atomiques lourds, allant jusqu'au fer. Et plus encore, que l'énergie par proton, quel que soit le nombre de protons dans l'un de ces noyaux, reste à peu près constante. Les sources de type AGN ne devraient pas être capables d'une telle régularité.

Des rayons cosmiques à très haute énergie derrière les ondes gravitationnelles ?

Mais les collisions, les fusions d'étoiles à neutrons pourraient le faire, parce qu'elles sont remarquablement semblables. Chacune de ces étoiles mesurant à peine quelques dizaines de kilomètres de diamètre pour une masse d'un peu plus que celle de notre Soleil. Lorsqu'elles fusionnent, elles produisent donc un accélérateur de particules cosmique de taille fixe susceptible de propulser n'importe quel noyau atomique à la même énergie par proton. Pour le vérifier, les astronomes pourraient bien ne plus avoir qu'à guetter les ondes gravitationnelles générées par la fusion d'étoiles à neutrons pour voir si des particules accélérées à des énergies ultra-élevées proviennent aussi de cet endroit.