Une avancée majeure dans la compréhension des rayons cosmiques les plus énergétiques jamais observés vient d’être publiée. Selon Futura Sciences, des chercheurs américains et japonais suggèrent que certains de ces flux de particules, appelés UHECR (Ultra-High Energy Cosmic Rays), pourraient être constitués de noyaux atomiques bien plus lourds que le fer. Une hypothèse qui expliquerait pourquoi ces particules, détectées sur Terre, défient les limites théoriques actuelles.

Ce qu'il faut retenir

  • Un siècle de mystère : les rayons cosmiques, découverts en 1912 par Victor Franz Hess, restent en partie inexpliqués, notamment ceux d’ultra-haute énergie.
  • La particule « Amaterasu », détectée en 2021 dans l’Utah, affichait une énergie de 240 exaélectronvolts, soit l’équivalent cinétique d’une balle de tennis, alors qu’elle était probablement plus petite qu’un atome.
  • Une limite théorique remise en cause : la limite GZK (Greisen-Zatsepin-Kuzmin) suggère que les protons ne devraient pas conserver une énergie aussi élevée après un voyage intergalactique. Pourtant, des particules comme « Amaterasu » l’atteignent.
  • Des noyaux ultra-lourds comme solution : selon les simulations menées par Kohta Murase et son équipe, ces particules pourraient être des noyaux bien plus massifs que le fer, perdant moins d’énergie lors de leur trajet.
  • Des sources potentielles identifiées : noyaux actifs de galaxies, trous noirs supermassifs, collisions d’étoiles à neutrons ou magnétars pourraient être à l’origine de ces flux.
  • Un pas vers de nouvelles découvertes : cette hypothèse ouvre la voie à une révision des mécanismes d’accélération des rayons cosmiques et à de futures observations.

Des particules venues de l’espace défiant les limites connues

Depuis plus d’un siècle, les scientifiques étudient ces particules cosmiques, accélérées à des énergies bien supérieures à celles du LHC. Selon Futura Sciences, les UHECR, ces rayons cosmiques d’ultra-haute énergie, représentent l’un des plus grands mystères de l’astrophysique. Leur détection sur Terre, comme celle de la particule « Amaterasu » en 2021, soulève des questions sur leur origine et leur composition. Avec une énergie de 240 exaélectronvolts, soit environ 1020 eV, cette particule était si puissante qu’elle défiait les modèles théoriques existants.

La limite GZK, établie en 1966 par Kenneth Greisen, Georgiy Zatsepin et Vadim Kuzmin, stipule que les protons voyageant sur de longues distances dans l’Univers devraient perdre une partie de leur énergie en interagissant avec le rayonnement fossile (CMB). Pourtant, des événements comme « Amaterasu » ou la particule « Oh-My-God », détectée en 1991 avec une énergie similaire, semblent contourner cette règle. Pour les chercheurs, cela suggère que ces particules ne sont pas de simples protons, mais des noyaux bien plus lourds.

Des noyaux ultra-lourds pour expliquer l’inexplicable

Une équipe de chercheurs, dirigée par Kohta Murase de la Penn State University, a publié ses travaux dans la revue Physical Review Letters. Leurs simulations numériques indiquent que des noyaux ultra-lourds, bien plus massifs que le fer, pourraient expliquer pourquoi certaines particules conservent une énergie aussi élevée après un voyage intergalactique. « Nos recherches ont montré qu’à des énergies comparables à celle de la particule Amaterasu, les noyaux ultra-lourds perdent de l’énergie plus lentement que les protons ou les noyaux de masse intermédiaire », a expliqué Kohta Murase dans un communiqué.

Cette hypothèse résout en partie le paradoxe posé par la limite GZK. Si ces noyaux ultra-lourds existent, ils pourraient provenir de phénomènes cosmiques extrêmes, comme des collisions d’étoiles à neutrons, des effondrements d’étoiles en hypernovae, ou encore des processus autour des trous noirs supermassifs en rotation. « Nous ne prétendons pas que tous les rayons cosmiques de très haute énergie sont des noyaux ultra-lourds. Mais si certains des événements les plus énergétiques sont des noyaux ultra-lourds, cela influencerait notre façon de rechercher leurs sources », a précisé le chercheur.

Des sources cosmiques encore à identifier

Si l’hypothèse des noyaux ultra-lourds éclaire une partie du mystère, leur origine exacte reste à déterminer. Selon Futura Sciences, les noyaux actifs de galaxies (AGN), les quasars et les blazars pourraient jouer un rôle clé dans l’accélération de ces particules. Les trous noirs supermassifs, en particulier, sont suspectés d’agir comme des « super-accélérateurs » naturels, capables de propulser des particules à des énergies extrêmes.

Cependant, les mécanismes précis restent flous. Les chercheurs soulignent que des phénomènes comme les magnétars – des étoiles à neutrons dotées d’un champ magnétique extrêmement intense – ou les hypernovae pourraient également contribuer à la formation de ces UHECR. « On a de bonnes raisons de penser que les trous noirs supermassifs en rotation sont aussi des super-accélérateurs de particules expliquant l’arrivée sur Terre de rayons cosmiques à de très hautes énergies », rappelle l’article.

Et maintenant ?

Cette découverte ouvre la voie à de nouvelles recherches pour identifier les sources exactes de ces particules et affiner les modèles théoriques. Les projets comme le Telescope Array ou l’Observatoire Pierre Auger devraient permettre de collecter davantage de données sur ces événements rares. Les scientifiques espèrent ainsi mieux comprendre les mécanismes d’accélération et les environnements cosmiques à l’origine de ces flux de particules. Une avancée qui pourrait, à terme, révolutionner notre connaissance de l’Univers.

Un siècle de recherches et des énigmes persistantes

L’histoire des rayons cosmiques est celle d’une quête scientifique sans fin. Découverts en 1912 par Victor Franz Hess, ces flux de particules ont depuis été étudiés sous toutes leurs formes, des protons aux noyaux lourds. Chaque décennie apporte son lot de découvertes, mais aussi de nouvelles questions. Les UHECR, avec leur énergie colossale, restent l’un des derniers grands mystères à élucider.

« À chaque décennie, les scientifiques découvrent des rayons cosmiques de plus en plus énergétiques et rares », rappelle Futura Sciences. Le projet Pierre Auger, lancé il y a plus de vingt ans, est la plus vaste entreprise jamais menée pour traquer ces particules. Grâce à des détecteurs répartis sur des milliers de kilomètres, il a permis de recueillir des données cruciales, comme celles de la particule « Amaterasu ».

Vers une nouvelle physique des particules cosmiques ?

Si l’hypothèse des noyaux ultra-lourds se confirme, elle pourrait avoir des implications majeures pour la physique des particules. Elle suggérerait l’existence de processus encore inconnus dans l’Univers, capables de produire des noyaux bien au-delà de ce que l’on observe habituellement. « Cela influencerait notre façon de rechercher leurs sources », a souligné Kohta Murase.

Les prochaines étapes consisteront à affiner les simulations et à multiplier les observations. Les chercheurs espèrent notamment détecter d’autres particules similaires à « Amaterasu » pour confirmer leur modèle. Une chose est sûre : ces découvertes rappellent que l’Univers réserve encore bien des surprises, même après un siècle d’études.

Un UHECR est une particule subatomique, comme un proton ou un noyau atomique, dont l’énergie dépasse 1018 électronvolts. Ces particules sont parmi les plus énergétiques de l’Univers, mais leur origine reste mal comprise. La particule « Amaterasu », détectée en 2021, affichait une énergie de 240 exaélectronvolts (1020 eV), soit l’équivalent cinétique d’une balle de tennis.