Un rayon cosmique rare et extrêmement énergétique a des origines mystérieuses.

Le “Oh-My-God” particule a un nouveau compagnon.

En 1991, les physiciens ont repéré une particule venue de l'espace qui s'est écrasée sur Terre avec une telle énergie qu'elle méritait un "OMG !" Avec 320 quintillions d'électronvolts, ou exaélectronvolts, elle avait l'énergie cinétique d'une balle de baseball qui se déplace à environ 100 kilomètres par heure.

Maintenant, une nouvelle particule d'énergie comparable a été trouvée, rapportent les chercheurs dans le numéro du 24 novembre de Science. Détectée en 2021 par l'expérience Array Telescope près de Delta, dans l'Utah, la particule avait une énergie d'environ 240 exaélectronvolts. Et mystérieusement, les scientifiques ne parviennent pas à déterminer l'origine cosmique de la particule.

"C'est une énorme quantité d'énergie mais dans un objet minuscule, minuscule", explique John Matthews, physicien astroparticulaire à l'université de l'Utah à Salt Lake City, co-porte-parole de la collaboration Telescope Array.

Les rayons cosmiques sont constitués de protons et de noyaux atomiques qui se déplacent à travers l'espace à des énergies très variées. Les particules dont l'énergie dépasse 100 exaélectronvolts sont extrêmement rares : en moyenne, les scientifiques estiment qu'une telle particule tombe sur un kilomètre carré de la surface terrestre chaque siècle. Et les particules de plus de 200 exaélectronvolts sont encore plus rares - seulement quelques-unes de ces particules ont été détectées auparavant.

Lorsqu'un rayon cosmique frappe la Terre, il entre en collision avec un noyau d'un atome dans l'atmosphère, créant ainsi une cascade d'autres particules qui peuvent être détectées à la surface de la Terre.

Pour capturer les particules les plus rares et à plus haute énergie, les scientifiques construisent de gigantesques réseaux de détecteurs. Le Array Telescope surveille une zone de 700 kilomètres carrés à l'aide de plus de 500 détecteurs en scintillateur plastique, un matériau qui émet de la lumière lorsqu'il est frappé par une particule chargée. Des détecteurs supplémentaires mesurent la lumière ultraviolette produite dans le ciel par la pluie de particules (bien que ces détecteurs ne fonctionnaient pas pendant l'arrivée de la particule nouvellement signalée). En se basant sur les moments où les détecteurs individuels de scintillateur ont été touchés par la cascade de particules, les scientifiques peuvent déterminer la direction du rayon cosmique entrant et utiliser ces informations pour le relier à son origine.

Les rayons cosmiques d'une énergie extrêmement élevée proviennent de l'extérieur de la Voie lactée, mais leurs sources exactes sont inconnues. La plupart des scientifiques pensent qu'ils sont accélérés dans des environnements cosmiques violents, tels que les jets de rayonnement qui émanent des zones entourant certains trous noirs supermassifs, ou les galaxies en formation qui forment des étoiles à un rythme frénétique.

Quelle que soit leur origine, les particules doivent provenir du voisinage cosmique relativement proche. Cela s'explique par le fait que les rayons cosmiques d'une énergie extrêmement élevée perdent de l'énergie lors de leur voyage, en interagissant avec le fond cosmique micro-onde, l'après-glow du Big Bang.

Rétrouver la position de la particule est compliqué. "Le problème est que lorsque vous détectez un rayon cosmique d'une énergie élevée sur Terre, la direction d'arrivée que vous obtenez ne pointerait pas vers la source car elle serait défléchie par... tout champ magnétique qui se trouverait sur le chemin", explique Noémie Globus, collaboratrice de Array Telescope, physicienne astroparticulaire à l'université de Californie à Santa Cruz et à l'institut de recherche RIKEN au Japon.

Les champs magnétiques présents dans la Voie lactée et ses environs dispersent les rayons cosmiques comme le brouillard disperse la lumière. Pour retracer la particule jusqu'à son origine, les scientifiques doivent prendre en compte cette dispersion. Mais ce traçage révèle un vide cosmique, une région de l'espace avec peu de galaxies, et encore moins de galaxies avec des processus violents en cours.

Cela rend cette particule particulièrement intéressante, explique l'astrophysicienne Vasiliki Pavlidou de l'université de Crète à Heraklion, en Grèce. "Elle pointe en fait vers rien du tout, absolument au milieu de nulle part."

Cela pourrait suggérer que les scientifiques passent à côté de quelque chose. Par exemple, il se pourrait que les chercheurs aient besoin de mieux comprendre les champs magnétiques de la galaxie, explique Pavlidou, qui n'a pas participé à la recherche.

“Chaque fois que l'on observe un de ces événements de très haute énergie, juste parce qu'ils sont si rares, c'est un événement majeur.”