Pendant des décennies, les scientifiques se sont interrogés sur une courbe prononcée du spectre énergétique des rayons cosmiques, connue sous le nom de « genou », à environ 3 PeV (péta-électron-volts). Aujourd’hui, les résultats révolutionnaires du Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) confirment que les puissants accélérateurs de particules présents dans les systèmes de trous noirs, en particulier les micro-quasars, sont probablement à l’origine de ce phénomène cosmique. Cette découverte résout non seulement un mystère de longue date, mais révèle également le rôle essentiel que jouent les trous noirs dans la formation des rayons cosmiques de haute énergie au sein de notre galaxie.
Le puzzle vieux de plusieurs décennies du genou du rayon cosmique
Les rayons cosmiques, particules de haute énergie bombardant la Terre depuis l’espace, présentent un spectre dans lequel le nombre de particules diminue avec l’augmentation de l’énergie. Cependant, à environ 3 PeV, le spectre prend une forme distincte de « genou » : une chute soudaine du nombre de particules. La cause de ce changement brutal est restée inconnue pendant près de 70 ans, les théories pointant vers les limites des processus d’accélération astrophysiques.
La percée du LHAASO : les micro-quasars comme accélérateurs cosmiques
Des études récentes, publiées dans National Science Review et Science Bulletin, démontrent que les micro-quasars (systèmes binaires dans lesquels un trou noir accumule la matière d’une étoile compagnon) sont capables d’accélérer les particules jusqu’aux énergies PeV. LHAASO a systématiquement détecté les rayons gamma à ultra haute énergie de cinq micro-quasars : SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 et Cygnus X-1.
Il a été constaté que le rayonnement ultra-énergétique du SS 433 chevauchait un nuage atomique géant, ce qui indique que les protons de haute énergie sont accélérés par le trou noir et entrent en collision avec la matière environnante. L’énergie des protons dans ce système dépassait 1 PeV, avec une puissance totale équivalente à quatre mille milliards de bombes à hydrogène explosant par seconde. Le V4641 Sgr présentait une énergie de rayons gamma atteignant 0,8 PeV, ce qui en faisait un autre « super accélérateur de particules PeV ».
Pourquoi les restes de supernova ne suffisent pas
Historiquement, les restes de supernova étaient considérés comme la principale source de rayons cosmiques. Cependant, des études observationnelles et théoriques ont montré qu’ils n’ont pas l’énergie nécessaire pour accélérer les particules jusqu’aux niveaux PeV et au-delà. Les découvertes du LHAASO confirment que les micro-quasars comblent cette lacune, en fournissant les capacités d’accélération nécessaires pour produire la composante de haute énergie des rayons cosmiques.
Le défi de mesurer les spectres des rayons cosmiques
Mesurer avec précision le spectre énergétique des rayons cosmiques, en particulier des protons, est extrêmement difficile. La région du « genou » est clairsemée, ce qui rend la détection comparable à la recherche d’une aiguille dans une botte de foin. Les mesures au sol sont compliquées par les interférences atmosphériques, ce qui rend difficile la distinction des protons des autres noyaux. LHAASO a surmonté ces défis en tirant parti de son équipement d’observation avancé et en développant des techniques de mesure multiparamétriques.
De multiples accélérateurs façonnent le paysage des rayons cosmiques
Les découvertes du LHAASO, combinées aux données des expériences spatiales AMS-02 et DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), révèlent une image complexe. La galaxie contient plusieurs accélérateurs, chacun ayant ses propres capacités et gamme d’énergie. Le « genou » représente la limite d’accélération des sources responsables de la génération de la composante de haute énergie, les micro-quasars jouant un rôle crucial.
Connecter les trous noirs au genou des rayons cosmiques
La conception du réseau de détecteurs hybrides du LHAASO permet la détection de sources de rayons cosmiques via des rayons gamma à ultra haute énergie, tout en permettant une mesure précise des particules de rayons cosmiques. Cette approche donne un aperçu des capacités d’accélération des sources aux énergies PeV et des caractéristiques spectrales qu’elles contribuent aux rayons cosmiques. Pour la première fois, la structure du « genou » a été reliée par observation à un type spécifique de source astrophysique : le système de jets de trous noirs.
Une percée chinoise dans la recherche sur les rayons cosmiques
LHAASO, conçu, construit et exploité par des scientifiques chinois, a pris la tête de la recherche sur les rayons cosmiques à haute énergie en raison de sa sensibilité à la fois en astronomie aux rayons gamma et en mesure de précision des rayons cosmiques. Sa série de découvertes a eu un impact mondial, contribuant à notre connaissance des processus physiques extrêmes de l’univers.
En conclusion, les découvertes du LHAASO fournissent la preuve définitive que les systèmes de trous noirs, en particulier les micro-quasars, sont la principale source de rayons cosmiques de haute énergie responsables du « genou » dans le spectre énergétique. Cette percée non seulement résout un mystère vieux de plusieurs décennies, mais établit également un lien critique entre les trous noirs et l’accélération extrême des particules qui se produit dans notre galaxie.
