L'origine des rayons cosmiques d'énergie extrême reste l'une des énigmes clés de l'astrophysique des particules. Les observations indiquent une transition d'une composition plus légère à plus lourde au-dessus d'une énergie d'environ $10^{18}$.2 eV, ce qui exige un spectre d'injection dur et des sources proches. Les sursauts gamma sont attrayants en raison de leur énorme libération d'énergie et de leurs éjections relativistes, et la détection d'un rayonnement gamma multi-TeV provenant de GRB 221009A avec un angle d'ouverture du jet d'environ 0.8° a ravivé l'intérêt pour ce lien. Autour de ce travail dans les archives, on trouve des études sur les sursauts gamma comme sources de rayons cosmiques, leur lien avec les neutrinos et le rayonnement gamma, ainsi que des modèles d'ondes de choc internes. Cet article se distingue quelque peu : il teste pour la première fois de manière systématique l'hypothèse d'une population locale de jets étroits, proposée précédemment, sur l'ensemble des données de spectre et de composition.
Les auteurs utilisent trois modèles d'évolution des sources : une distribution uniforme, des jets standard suivant le taux de formation d'étoiles, et une combinaison de jets standard et étroits. Pour chaque modèle, ils font varier les paramètres d'injection (indice spectral, rigidité maximale et fractions de noyaux : hydrogène, hélium, azote, silicium, fer) et ajustent les résultats aux données de l'observatoire Pierre Auger sur le spectre en énergie et la profondeur du maximum des gerbes atmosphériques. La propagation des particules est modélisée avec le code CRPropa 3.2, qui tient compte des interactions avec le fond diffus cosmologique et la lumière extragalactique de fond. Ensuite, les flux de neutrinos cosmogéniques et de rayonnement gamma en cascade sont calculés en résolvant des équations de transport unidimensionnelles.
Le modèle avec jets standard et étroits décrit bien les données : indice spectral d'injection α = -1.6, rigidité maximale $10^{18}$.2 V, composition de 65% de protons et 34% d'hélium. Aux plus hautes énergies, le flux est dominé par les jets étroits, limités à un décalage vers le rouge z ≤ 0.36, ce qui réduit les pertes lors de la propagation. Le facteur de charge baryonique requis pour les jets étroits est d'environ 10, alors qu'il est d'environ 50 pour les jets standard seuls. Les flux prédits de neutrinos cosmogéniques se situent en dessous des limites actuelles d'IceCube et d'Auger, et le pic du flux de neutrinos est dans le même ordre de grandeur que l'estimation pour l'événement KM3-230213A. Le flux de rayonnement gamma en cascade sature la limite supérieure de Fermi-LAT à des énergies d'environ 1 TeV, mais laisse de la place pour la contribution d'autres sources, comme les blazars.
Ce travail montre qu'une population locale de jets étroits de sursauts gamma peut expliquer le flux observé de rayons cosmiques d'énergie extrême sans contredire les données multi-messagers. Contrairement aux études précédentes qui considéraient des jets standard ou une distribution uniforme, une combinaison de modèles avec un faible décalage vers le rouge pour les jets étroits est utilisée ici pour la première fois, ce qui réduit considérablement le flux prédit de neutrinos cosmogéniques et de rayonnement gamma. Cela atténue la tension avec les limites d'IceCube et de Fermi-LAT et rend le scénario viable.
Les futures données des installations AugerPrime et TA×4 amélioreront les mesures du spectre, de la composition et de l'anisotropie, ce qui permettra de tester les corrélations avec les transitoires proches. Les détecteurs de neutrinos de nouvelle génération, tels que IceCube-Gen2, GRAND et PUEO, pourront soit détecter le flux cosmogénique prédit, soit imposer des contraintes plus strictes. Les observations avec LHAASO, CTA et SWGO pourraient résoudre la composante cosmogénique dans le rayonnement gamma de sursauts gamma individuels.
Les résultats influenceront les modèles d'accélération des particules dans les sursauts gamma, l'interprétation des données des observatoires de rayons cosmiques et les stratégies de recherche de neutrinos et de rayonnement gamma provenant des transitoires.
Il est nécessaire de réaliser une modélisation plus détaillée prenant en compte des distributions réalistes des angles d'ouverture des jets et des énergies du rayonnement gamma, ainsi que d'étudier l'influence des champs magnétiques sur la propagation des particules secondaires.
Ce travail est directement lié au problème non résolu de l'origine des rayons cosmiques d'énergie extrême et à la question de savoir quels objets astrophysiques sont capables d'accélérer des particules à des énergies supérieures à 10^18 eV. Il aborde également l'énigme de la transition des sources galactiques aux sources extragalactiques et la nature du coude dans le spectre à une énergie d'environ 5×10^18 eV.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Les auteurs testent l'hypothèse selon laquelle une population rare de sursauts gamma longs avec des jets très étroits dans l'Univers local (z ≤ 0.36) explique le flux de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Ils construisent des modèles d'évolution des sources, ajustent les paramètres d'injection aux données de l'observatoire Pierre Auger sur le spectre et la composition, et calculent les flux associés de neutrinos et de rayonnement gamma en cascade. Les résultats montrent qu'une telle population peut décrire les données sans contredire les contraintes multimessagers actuelles.
Où est sa force
La force de cette étude réside dans son approche systématique : c'est la première fois que, pour l'hypothèse des jets étroits, un ajustement conjoint du spectre et de la composition est réalisé, en tenant compte de l'évolution des sources et de la propagation des particules, ce qui a permis d'obtenir des prédictions cohérentes pour les neutrinos et le rayonnement gamma.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Si les jets étroits sont effectivement la source principale des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie, cela relierait les propriétés observées des sursauts gamma à la composition des particules et ouvrirait une nouvelle voie pour étudier la physique des éjections relativistes et de leur environnement.
Travaux voisins dans notre archive
Le travail le plus proche de l'archive se situe à 0.62 par le sens — le niveau habituel de notre corpus.
Le sursaut gamma GRB 221009A était si brillant qu'on l'a surnommé « le plus brillant de tous les temps » (BOAT, Brightest Of All Time). Son jet avait un angle d'ouverture de seulement 0.8 degré, comme si le faisceau d'une lampe de poche à un kilomètre de distance éclairait une pièce de monnaie.
L'idée que des explosions cosmiques rares et puissantes puissent être les sources des particules les plus énergétiques fait écho au concept des « sursauts gamma comme armes » dans la science-fiction, par exemple dans le roman « Hypérion » de Dan Simmons, où de tels phénomènes sont liés à des événements catastrophiques.