Une particule d'énergie $10^{18}$ eV frappe l'atmosphère terrestre, c'est comme si une balle de tennis lancée à 200 km/h heurtait un mur. D'où viennent de tels projectiles, les astrophysiciens en débattent depuis des décennies. Les sursauts gamma, de brèves et puissantes explosions de rayonnement gamma, ont longtemps été suspectés de jouer le rôle d'accélérateurs. Mais les calculs montraient que s'ils accéléraient des particules, ils devraient produire trop de neutrinos et de photons gamma, et les détecteurs ne les voient pas.
Une nouvelle étude propose une issue. Un sursaut gamma éjecte de la matière dans un jet relativiste étroit, comme un projecteur qui braque son faisceau sur un point du ciel. La plupart des jets sont larges, comme la lumière d'une lampe qui éclaire une cour. Mais il en existe de rares, étroits comme un pointeur laser. Les auteurs ont examiné une population de tels jets étroits dans l'Univers proche (décalage vers le rouge z ≤ 0.36, c'est-à-dire dans un rayon d'environ 4 milliards d'années-lumière). Ces « pointeurs laser » frappent plus précisément et gaspillent moins d'énergie, donc ils peuvent accélérer les particules plus efficacement tout en produisant moins de rayonnement secondaire.
Le modèle a été ajusté aux données de l'observatoire Pierre Auger : le spectre et la composition des particules. Il en ressort qu'aux plus hautes énergies, le flux est dominé par les jets étroits, limités par un décalage vers le rouge z ≤ 0.36. La proximité des sources réduit les pertes de particules lors de la propagation : elles n'ont pas le temps de perdre de l'énergie dans les interactions avec le fond diffus cosmologique. La composition obtenue est de 65% de protons et de 34% d'hélium, ce qui correspond aux observations.
Les flux de neutrinos prédits se situent en dessous des limites actuelles d'IceCube et d'Auger. Le pic du flux de neutrinos est dans le même ordre de grandeur que l'estimation pour l'événement KM3-230213A, une indication, mais pas une contradiction. 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.
Les futures installations AugerPrime et TA×4 amélioreront les mesures du spectre, de la composition et des directions d'arrivée des particules, ce qui permettra de vérifier les corrélations avec les sursauts gamma proches. Les détecteurs de neutrinos de nouvelle génération, IceCube-Gen2, GRAND, PUEO, détecteront soit le flux prédit, soit imposeront des contraintes plus strictes. Et les observations avec LHAASO, CTA et SWGO pourront résoudre la composante cosmogénique dans le rayonnement gamma de sursauts individuels.
Ainsi, de rares faisceaux de projecteurs étroits, éclairant les environs immédiats plutôt que des galaxies lointaines, s'avèrent être la clé pour percer l'origine des particules les plus énergétiques de l'Univers.
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.