Les régions riches en étoiles massives, une des sources des rayons cosmiques

Les rayons cosmiques sont accélérés dans les régions riches en étoiles massives : c'est le lien que viennent d'établir des chercheurs de Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements (CESR : CNRS, Université Paul Sabatier, OMP-OSU/INSU), à Toulouse, à partir des observations du Grand Nuage de Magellan réalisées au cours de la première année d'exploitation du satellite Fermi de la NASA. Une découverte qui apporte un éclairage essentiel au sujet de ces rayons cosmiques, découverts en 1912 mais dont l'origine restait jusqu'alors très incertaine.

Les rayons cosmiques sont accélérés dans les régions riches en étoiles massives : c'est le lien que viennent d'établir des chercheurs de Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements (CESR : CNRS, Université Paul Sabatier, OMP-OSU/INSU), à Toulouse, à partir des observations du Grand Nuage de Magellan réalisées au cours de la première année d'exploitation du satellite Fermi de la NASA. Une découverte qui apporte un éclairage essentiel au sujet de ces rayons cosmiques, découverts en 1912 mais dont l'origine restait jusqu'alors très incertaine.

Les rayons cosmiques sont un flux de particules ayant une énergie colossale liée à leur vitesse avoisinant celle de la lumière : cette énergie, dite cinétique, est sans commune mesure avec celle que sont capables de générer les plus performants des accélérateurs de particules. Pour les scientifiques, reste une question fondamentale : d'où ces rayons qui bombardent la Terre en permanence tirent-ils cette énergie ? Les physiciens, comme l'Italien Enrico Fermi, ont très tôt supposé que celle-ci pouvait être acquise dans des régions du milieu interstellaire secouées par des chocs, comme ceux qui accompagnent l'expansion des restes de supernovæ issus de l'explosion des étoiles massives. «Avant de mourir en explosions de supernovæ, les étoiles massives s'évaporent littéralement en développant de puissants vents stellaires et donc de l'énergie cinétique. Ces vents, ainsi que les explosions, créent des ondes de chocs dans le milieu interstellaire qui sont capables d'accélérer des particules à des vitesses proches de celle de la lumière. Comme en plus les étoiles massives vivent et meurent en groupes, l'accumulation de plusieurs chocs accélèrent encore plus les particules dans le milieu interstellaire. Les particules se comportent alors comme des balles de ping-pong entre deux raquettes qui se rapprochent : elles vont de plus en plus vite à chaque aller-retour », décrit Jürgen Knödlseder du CESR, qui a dirigé ces travaux.

Pour mener leurs recherches, les scientifiques se sont donc tout naturellement tournés vers une « fabrique d'étoiles massives » : le Grand Nuage de Magellan, galaxie irrégulière qui orbite autour de la nôtre à 170 000 années-lumière. Dans cette région, une zone, appelée 30 Doradus, est notamment très propice à la formation d'étoiles massives et s'est révélée être une source importante d'émission de rayons cosmiques. « Il est facile de dévoiler ce type de rayonnement car il a une signature particulière : nous traquons la lumière gamma qui est émise lors de la décroissance des pions neutres. Ces pions neutres sont créés par la collision des rayons cosmiques avec les atomes du gaz interstellaire », détaille le chercheur. Couplées aux marqueurs de formation d'étoiles massives[1], ces nouvelles données recueillies par le satellite Fermi et son télescope Large Area Telescope (LAT) ont permis de faire la corrélation entre accélération des rayons cosmiques et régions formatrices d'étoiles massives, et donc, de mieux comprendre l'origine de ce rayonnement.
Le télescope LAT à bord du satellite Fermi dévoile une pouponnière d’étoiles dénommé 30 Doradus comme source brillante des rayons gamma dans le Grand Nuage de Magellan. © NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration.
À l'issue de ces travaux, un résultat a malgré tout surpris les chercheurs. « Nous pensions que la diffusion de ces rayons cosmiques s'étendrait dans toute la galaxie, et par conséquent que toute la galaxie serait une source lumineuse de rayons gamma. Mais la luminosité gamma que nous avons observée reste en fait confinée vers la région 30 Doradus, relate Jürgen Knödlseder. Cela renforce le constat que ce sont bien les régions formant les étoiles massives qui sont la source des rayons cosmiques, mais nous ne savons pas encore comment expliquer que ceux-ci ne parviennent pas à s'échapper de ces régions accélératrices ». Hypothèses envisagées : soit le champ magnétique près de 30 Doradus pourrait retenir les rayons dans la zone, soit les rayons cosmiques ont été accélérés récemment et n'ont pas encore eu le temps de s'échapper de leur région d'accélération.
Cette question sera pour les mois à venir au cœur du travail des chercheurs du CESR. La suite de leur collaboration avec le projet Fermi, entamée en 2004 via le développement des logiciels d'analyse scientifique, permettra aussi d'étendre leurs recherches à d'autres galaxies, aux histoires différentes, telles que le Petit Nuage de Magellan ou la galaxie d'Andromède. « C'est en observant toute la diversité de ce qui se passe dans les galaxies nous entourant, et qui sont plus accessibles que la nôtre pour l'observation, que nous approcherons mieux les phénomènes qui animent notre propre Galaxie », conclut le chercheur. Ces résultats ont été publiés dans la revue Astronomy and Astrophysics[2].
La collaboration Fermi inclut la NASA et la DOE du côté américain et des instituts de six pays (Etats-Unis, France, Italie, Japon, Suède et Allemagne). Côté français, cinq équipes de l'IN2P3/CNRS (Laboratoire Leprince-Ringuet, Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux-Gradignan, Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules) du CEA (IRFU/Service d'Astrophysique) et de l'INSU/CNRS (CESR) y participent.

 

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