source de rayons cosmiques de très haute énergie

Le ciel nocturne semble paisible, mais en réalité il est traversé par une pluie invisible de particules chargées : les rayons cosmiques. Les scientifiques cherchent depuis longtemps à comprendre où naissent les plus énergétiques d'entre eux.

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.

La forêt nocturne est pleine de lucioles, mais auparavant nous ne voyions que celles qui se trouvaient par hasard dans le faisceau d'une lampe de poche. C'était le cas des sources de rayons X ultra-lumineuses, des points dans d'autres galaxies qui brillent en rayons X plus intensément que ce qu'un trou noir de masse stellaire peut émettre de manière stable.

Au centre de la Voie lactée, là où le trou noir supermassif Sagittarius A* brasse les nuages de gaz comme un moulin broie le grain, les astronomes ont capté un pouls irrégulier. Le rayonnement gamma, la lumière la plus énergétique de l'Univers, n'y parvient pas en une onde régulière, mais avec une cassure, comme si le cœur de la Galaxie battait avec des irrégularités.

Dans le ciel austral, derrière un épais rideau de poussière, se cache une source de rayons gamma — la lumière la plus énergétique de l'Univers. Elle brille si intensément qu'on la voit même à travers ce rideau, mais l'objet lui-même reste invisible. Les astronomes ont pointé le radiotélescope ALMA vers les nuages de gaz voisins et ont vu un motif qui a trahi l'invisible.

Le ciel nocturne semble paisible, mais en réalité, des particules invisibles — les rayons cosmiques — nous traversent en permanence. Parmi elles, on trouve des électrons et leurs antiparticules, les positrons.

Le pulsar PSR J1740+1000 est une étoile de la taille d'une ville qui tourne plus vite qu'un mixeur de cuisine. Après l'explosion d'une supernova, il en reste un noyau dense qui accélère des particules à des vitesses proches de celle de la lumière.

Au plus profond de la glace du pôle Sud, à près de deux kilomètres et demi sous la surface, un télescope pas comme les autres est en activité. Il n'est pas pointé vers le ciel, mais à travers la Terre. Sa proie : les neutrinos, ces particules quasi insaisissables qui traversent les planètes et les étoiles de part en part sans interagir avec rien.

Une boule de billard en heurte une autre dans l'obscurité totale. Le bruit de l'impact et le cliquetis des billes tombant dans les poches — voilà tout ce que l'on entend. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les interactions des particules élémentaires à des énergies qu'aucun accélérateur terrestre ne peut reproduire.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent non seulement des trous noirs supermassifs, mais aussi d'immenses nuages de matière invisible. Si cette matière est composée de particules ultra-légères, elle peut se rassembler en amas denses — une sorte d'« étoiles » de matière noire.

Pendant longtemps, les astronomes ont cherché les « usines » des rayons cosmiques les plus énergétiques, ces particules qui portent en elles le macrocosme compressé à l'échelle du noyau atomique. Les suspects étaient les colossales régions de formation d'étoiles comme Cygnus OB2, où les vents des jeunes géantes entrent en collision.

Quelque part au fin fond du cosmos, un phare radio s'allume pendant une fraction de seconde, puis s'éteint. Ces signaux sont appelés sursauts radio rapides. Ils proviennent d'autres galaxies et durent de la microseconde à la milliseconde.

Dans la constellation de l'Aigle, à environ 40 000 années-lumière de nous, fonctionne l'un des accélérateurs naturels les plus puissants de la Galaxie. Il s'agit du microquasar GRS 1915+105, une paire composée d'une étoile ordinaire et d'un trou noir.

Il y a près de quinze ans, le télescope à rayons gamma Fermi détectait de mystérieuses « bulles » – d'immenses nuages de plasma, comme gonflés par des poumons invisibles, s'élevant à des dizaines de milliers d'années-lumière du centre de la Galaxie.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Ainsi, la lumière des galaxies lointaines se diffuse dans toutes les directions — calmement et régulièrement. Mais au centre de certaines galaxies se cache non pas une pierre, mais un véritable canon : il projette des particules avec une force monstrueuse. Les astronomes appellent ces objets HSP BL Lac.

Dans les profondeurs de la mer Méditerranée, où l'eau exerce une pression de plusieurs centaines d'atmosphères, un réseau de sphères photosensibles attendait un hôte rare. Et il est venu – un neutrino qui a traversé l'épaisseur de la Terre avec une énergie comparable à celle d'une brique en vol.

Au cœur même de la Voie lactée, quelque chose brille — mais pas d'une lumière stellaire, plutôt de rayons gamma invisibles à l'œil.

Les rayons cosmiques sont des particules venues des profondeurs de l'espace, accélérées à des énergies colossales. En percutant l'atmosphère, ils génèrent des cascades de particules accompagnées d'ondes radio. Ces ondes sont des empreintes qui révèlent l'énergie et la direction de l'intrus.

Chaque seconde, nous sommes traversés par des projectiles invisibles venus des profondeurs du cosmos. Ce sont les rayons cosmiques — des noyaux atomiques propulsés à des vitesses presque indiscernables de la vitesse de la lumière. Leur énergie dépasse de centaines de millions de fois celle accessible à nos accélérateurs les plus puissants.

Au centre de nombreuses galaxies se trouve un trou noir supermassif. Lorsque du gaz tombe dessus, il s'échauffe et brille plus intensément qu'une galaxie entière — c'est un noyau actif. Parfois, un véritable ouragan s'en échappe : un flux de gaz ionisé qui file à des vitesses de plusieurs dizaines de pour cent de la vitesse de la lumière.

Les détecteurs de matière noire classiques ressemblent à un gardien de but qui attend un tir puissant alors que le ballon roule à peine. Les particules invisibles qui remplissent notre Galaxie se déplacent souvent trop lentement pour être repérées par les capteurs sensibles.

Les neutrinos sont des particules presque insaisissables : ils traversent les planètes sans même remarquer les atomes. Chaque capture est donc un coup de chance.

Un puissant projecteur éclaire un épais brouillard. On ne voit pas le faisceau lui-même, mais le brouillard se met à scintiller faiblement – et révèle la présence du projecteur.

Lorsqu'un noyau lourd percute à très grande vitesse le gaz interstellaire, il se brise en morceaux. Ces morceaux — lithium, béryllium, bore — continuent leur route, et leur quantité dans le flux de rayons cosmiques dépend de la manière dont la désintégration s'est produite.

Les rayons gamma d'énergie supérieure à cent mille milliards d'électronvolts, c'est comme des pierres lancées avec une force incroyable. Pendant longtemps, on a pensé que seuls les protons — ces particules lourdes accélérées dans les accélérateurs cosmiques — pouvaient lancer de telles « pierres ».

Au cœur de la constellation de l'Aigle se cache une nébuleuse qui ressemble à une bulle en expansion. Elle est soufflée par une minuscule étoile de la taille d'une ville — un pulsar qui effectue plusieurs rotations par seconde et perd de l'énergie de rotation.

En décembre 2024, le quasar PG 1211+143 s'est retrouvé dans le viseur de deux observatoires à rayons X : les spectroscopes XRISM et XMM-Newton l'ont observé simultanément. Un quasar est le noyau extrêmement lumineux d'une galaxie lointaine, où un trou noir supermassif aspire le gaz environnant.

Au cœur des Alpes se cache le Grand collisionneur de hadrons. De temps à autre, ses détecteurs enregistrent des pics soudains — les scientifiques les appellent OVNI (objets volants non identifiés). Selon une théorie, il ne s'agirait pas de pannes d'équipement, mais de traces de matière noire.

Au centre de presque chaque grande galaxie se cache un trou noir. Lorsqu'il absorbe du gaz, il rejette de puissants flux — comme un dragon qui, incapable d'avaler toute sa proie, crache des flammes.

Au centre de la galaxie NGC 4278 se trouve un trou noir qui éjecte deux jets de plasma — comme un canon géant tirant des particules dans l'espace. Ces jets accélèrent des particules à des énergies que nul accélérateur terrestre n'a jamais égalées.

La nuit, des balles invisibles traversent le ciel : les rayons cosmiques. Ce sont des noyaux atomiques propulsés à des vitesses proches de celle de la lumière. Les champs magnétiques de la Galalie brouillent leurs trajectoires, rendant difficile l'identification de leur lieu de naissance.

En voyageant à travers la Galaxie, le Système solaire plonge parfois dans d'épais nuages interstellaires — des amas d'hydrogène et de poussière très dilués.

À peine née après le Big Bang, l'Univers bouillonnait comme une boisson gazeuse fraîchement versée. Tout l'espace était rempli de bulles — ce sont des régions de nouveau vide, celui qui obéit au modèle standard, qui repoussaient l'ancien état instable.

Les rayons cosmiques – des particules d'une énergie prodigieuse – filent dans les ténèbres de l'espace intergalactique. Lors d'une collision frontale, leur puissance pourrait se comprimer en un trou noir de la taille d'un atome.

Chaque jour, des particules d'énergie colossale frappent l'atmosphère terrestre, comme des lettres sans signature. Leur origine est longtemps restée une énigme.

À 8,58 mégaparsecs de nous, la galaxie spirale M51 enroule ses bras, tandis que le radiotélescope VLA, dans sa configuration la plus étendue, l'observe avec une résolution de 0,16×0,14 seconde d'arc. C'est comme si, depuis la Terre, on distinguait une pièce de monnaie à la surface de la Lune.

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière. Ils arrivent sur Terre de toutes les directions, et leur composition nous renseigne sur ce qui se passe dans les recoins lointains de la Galaxie.

Tels des coureurs sur une longue distance, les noyaux atomiques — du léger hélium au lourd fer — foncent vers nous à travers la Galaxie. À l'arrivée, dans le détecteur du ballon stratosphérique, on voit que les noyaux lourds arrivent un peu plus épuisés que les légers.

Le spectre des électrons cosmiques, c'est comme des empreintes digitales sur une scène de crime. Les particules qui arrivent des profondeurs de la Galaxie portent dans leurs énergies les traces de ceux qui les ont engendrées.