Telescope Array détecte le deuxième rayonnement cosmique d'énergie la plus élevée jamais enregistré.

23 novembre 2023

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par l'Université de l'Utah

En 1991, l'expérience Fly's Eye de l'Université de l'Utah a détecté le rayonnement cosmique à haute énergie le plus élevé jamais observé. Surnommée plus tard la particule Oh-My-God, l'énergie du rayonnement cosmique a choqué les astrophysiciens. Rien dans notre galaxie n'avait le pouvoir de le produire, et la particule avait plus d'énergie que ce qui était théoriquement possible pour les rayons cosmiques se déplaçant vers la Terre à partir d'autres galaxies. En d'autres termes, la particule ne devrait pas exister.

Depuis lors, le Telescope Array a observé plus de 30 rayons cosmiques ultra-énergétiques, bien que aucun n'approche l'énergie du niveau Oh-My-God. Aucune observation n'a encore révélé leur origine ou leur capacité à se déplacer vers la Terre.

Le 27 mai 2021, l'expérience Telescope Array a détecté le deuxième rayon cosmique extrêmement énergétique le plus élevé. Avec une énergie de 2,4 x 1020eV, cette particule subatomique unique équivaut à la chute d'une brique sur votre orteil depuis la hauteur de la taille. Dirigée par l'Université de l'Utah (l'U) et l'Université de Tokyo, l'expérience a utilisé le Telescope Array, qui comprend 507 stations de détection en surface disposées en grille carrée couvrant 700 km2 (~270 miles2) à l'extérieur de Delta, en Utah, dans le désert occidental de l'État.

L'événement a déclenché 23 détecteurs dans la région nord-ouest du Telescope Array, se propageant sur 48 km2 (18,5 mi2). Sa direction d'arrivée semblait provenir du vide local, une zone vide d'espace bordant la galaxie de la Voie lactée.

Le signal enregistré et l'animation de l'événement de la particule extrêmement énergétique, appelée particule 'Amaterasu'. Crédit : Université métropolitaine d'Osaka

« Les particules sont si énergétiques qu'elles ne devraient pas être affectées par les champs magnétiques galactiques et extra-galactiques. Vous devriez pouvoir pointer d'où elles viennent dans le ciel », a déclaré John Matthews, co-porte-parole du Telescope Array à l'U et co-auteur de l'étude. « Mais dans le cas de la particule Oh-My-God et de cette nouvelle particule, vous tracez sa trajectoire jusqu'à sa source et il n'y a rien d'assez énergétique pour l'avoir produite. C'est le mystère de ça - qu'est-ce qui se passe exactement ? »

Dans leur observation publiée dans la revue Science, une collaboration internationale de chercheurs décrit le rayon cosmique ultra-énergétique, évalue ses caractéristiques et conclut que les phénomènes rares pourraient suivre une physique des particules inconnue de la science.

Les chercheurs l'ont nommée la particule Amaterasu d'après la déesse du soleil de la mythologie japonaise. Les particules Oh-My-God et Amaterasu ont été détectées à l'aide de différentes techniques d'observation, confirmant que bien qu'elles soient rares, ces événements à ultra-haute énergie sont réels.

« Ces événements semblent venir de lieux complètement différents dans le ciel. Ce n'est pas comme s'il y avait une source mystérieuse », a déclaré John Belz, professeur à l'U et co-auteur de l'étude. « Il pourrait s'agir de défauts dans la structure de l'espace-temps, de cordes cosmiques en collision. Je veux dire, je réfléchis juste à des idées folles que les gens proposent parce qu'il n'y a pas d'explication conventionnelle. »

Les rayons cosmiques sont les échos d'événements célestes violents qui ont dépouillé la matière de ses structures subatomiques et l'ont projetée à travers l'univers presque à la vitesse de la lumière. Essentiellement, les rayons cosmiques sont des particules chargées avec une large gamme d'énergies, composées de protons positifs, d'électrons négatifs ou de noyaux atomiques entiers qui se déplacent dans l'espace et tombent presque constamment sur la Terre.

Les rayons cosmiques atteignent la haute atmosphère de la Terre et éclatent le noyau du gaz d'oxygène et d'azote, générant de nombreuses particules secondaires. Celles-ci parcourent une courte distance dans l'atmosphère et répètent le processus, formant une pluie de milliards de particules secondaires qui se dispersent à la surface. L'empreinte de cette pluie secondaire est massive et nécessite que les détecteurs couvrent une zone aussi grande que le Telescope Array. Les détecteurs de surface utilisent une série d'instruments qui donnent aux chercheurs des informations sur chaque rayon cosmique ; le moment du signal montre sa trajectoire et la quantité de particules chargées touchant chaque détecteur révèle l'énergie de la particule primaire.

Because particles have a charge, their flight path resembles a ball in a pinball machine as they zigzag against the electromagnetic fields through the cosmic microwave background. It's nearly impossible to trace the trajectory of most cosmic rays, which lie on the low- to middle-end of the energy spectrum. Even high-energy cosmic rays are distorted by the microwave background. Particles with Oh-My-God and Amaterasu energy blast through intergalactic space relatively unbent. Only the most powerful of celestial events can produce them.

'Things that people think of as energetic, like supernova, are nowhere near energetic enough for this. You need huge amounts of energy, really high magnetic fields to confine the particle while it gets accelerated,' said Matthews.

Ultra-high-energy cosmic rays must exceed 5 x 1019 eV. This means that a single subatomic particle carries the same kinetic energy as a major league pitcher's fastball and has tens of millions of times more energy than any human-made particle accelerator can achieve.

Astrophysicists calculated this theoretical limit, known as the Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK) cutoff, as the maximum energy a proton can hold traveling over long distances before the effect of interactions of the microwave background radiation takes their energy.

Known source candidates, such as active galactic nuclei or black holes with accretion disks emitting particle jets, tend to be more than 160 million light years away from Earth. The new particle's 2.4 x 1020 eV and the Oh-My-God particle's 3.2 x 1020 eV easily surpass the cutoff.

Researchers also analyze cosmic ray composition for clues of its origins. A heavier particle, like iron nuclei, are heavier, have more charge and are more susceptible to bending in a magnetic field than a lighter particle made of protons from a hydrogen atom. The new particle is likely a proton. Particle physics dictates that a cosmic ray with energy beyond the GZK cutoff is too powerful for the microwave background to distort its path, but back-tracing its trajectory points towards empty space.

'Maybe magnetic fields are stronger than we thought, but that disagrees with other observations that show they're not strong enough to produce significant curvature at these 1020 electron volt energies,' said Belz. 'It's a real mystery.'

The Telescope Array is uniquely positioned to detect ultra-high-energy cosmic rays. It sits at about 1,200 m (4,000 ft), the elevation sweet spot that allows secondary particles maximum development, but before they start to decay. Its location in Utah's West Desert provides ideal atmospheric conditions in two ways: the dry air is crucial because humidity will absorb the ultraviolet light necessary for detection; and the region's dark skies are essential, as light pollution will create too much noise and obscure the cosmic rays.

Astrophysicists are still baffled by the mysterious phenomena. The Telescope Array is in the middle of an expansion that that they hope will help crack the case. Once completed, 500 new scintillator detectors will expand the Telescope Array will sample cosmic ray-induced particle showers across 2,900 km2 (1,100 mi2 ), an area nearly the size of Rhode Island. The larger footprint will hopefully capture more events that will shed light on what's going on.

Journal information: Science

Provided by University of Utah