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Paris, 8 novembre 2007

L'Observatoire Pierre Auger remonte aux sources des rayons cosmiques d'énergie extrême

Les chercheurs de la collaboration Pierre Auger ont démontré l'origine extragalactique des rayons cosmiques d'énergie extrême qui bombardent la Terre. Les noyaux actifs de galaxie en seraient les sources les plus plausibles. L'Observatoire Pierre Auger est le plus grand instrument consacré à l'étude des rayons cosmiques. Il regroupe des chercheurs de 17 pays et de plus de 70 institutions, dont une partie importante sont des chercheurs du CNRS et des universités françaises (de cinq laboratoires de l'IN2P3 et d'un laboratoire de l'INSU). Les résultats obtenus sont le prélude à une nouvelle astronomie et sont publiés dans la revue Science du 9 novembre 2007.

Les rayons cosmiques sont des protons ou des noyaux atomiques qui traversent notre Univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Quand ces rayons entrent en collision avec la haute atmosphère de notre planète, ils créent une cascade de particules secondaires, appelée gerbe atmosphérique, qui peut s'étendre sur plus de 40 kilomètres carrés quand elle arrive au sol. Le physicien français Pierre Auger (1899-1993) a été le premier à observer, en 1938, les gerbes atmosphériques produites par l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre.

 

L'Observatoire Pierre Auger détecte les gerbes atmosphériques grâce à un réseau de 1 600 détecteurs de particules, espacés d'1,5 kilomètre, qui s'étendent sur une surface de 3 000 kilomètres carrés. En plus, 24 télescopes observent la lumière fluorescente produite par la gerbe lors de son passage dans l'atmosphère. Cette combinaison de détecteurs permet une étude optimale et très précise de ces rayons cosmiques.

 

L'Observatoire a détecté plus d'un million de rayons cosmiques depuis le démarrage de la prise de données en janvier 2004, mais seuls 81 d'entre eux ont une énergie supérieure à 40.1018 électron-Volts (40 EeV), seuil à partir duquel leur direction d'arrivée pointe raisonnablement vers leur source.  Et parmi ceux-là, 27 ont une énergie supérieure à 60 EeV. Ces derniers perdent leur énergie dans des collisions avec les photons du rayonnement fossile du Big Bang qui remplissent tout l'Univers. Les chercheurs de la collaboration Auger ont découvert que la plupart de ces 27 rayons cosmiques d'énergie extrême pointent vers les positions des noyaux actifs de galaxies les plus proches, à moins de quelques centaines de millions d'années lumière de la Terre. Leur identification en tant que sources est rendue difficile par l'existence de nombreux autres objets astrophysique dans ces régions.

 

Mais qu'est-ce qu'un noyau actif de galaxie ? La plupart des galaxies ont un trou noir super massif (plusieurs millions de fois la masse du soleil) en leur centre, qui dévore la matière alentour en quantités gigantesques. Au centre de certaines galaxies il y a un noyau extrêmement brillant : on parle alors d'un noyau actif de galaxie. Ces objets sont les sources de lumière les plus puissantes de l'Univers. Dans certains cas, l'effondrement vers le trou noir central des gaz, de la poussière et des étoiles de la galaxie hôte s'accompagne d'émissions spectaculaires de matière sous forme de jets de milliers de milliards de kilomètres de longueur. Les rayons cosmiques pourraient être le produit de collisions dans ces jets monumentaux... Le mécanisme par lequel les noyaux actifs de galaxies accélèrent des particules à une énergie dix millions de fois plus grande que les énergies atteintes par les accélérateurs terrestres reste mystérieux.

 

Les rayons cosmiques très énergétiques étudiés à l'Observatoire Pierre Auger ouvrent une fenêtre sur l'Univers proche, point de départ d'une nouvelle astronomie alternative à celle qui utilise la lumière. Les rayons cosmiques de basse énergie ne donnent pas d'information sur la position de leur source, car les champs magnétiques (galactique et extragalactique) brouillent cette information en les défléchissant en tous sens. Ceux d'énergie extrême qui permettent de pointer vers les sources sont hélas très rares : seulement un par kilomètre carré et par siècle. Leur étude nécessite un observatoire gigantesque. L'Observatoire Pierre Auger, avec ses 3 000 kilomètre carrés, permet d'enregistrer quelques dizaines de ces rayons cosmiques (au delà de 60 EeV) par an.

 

L'observatoire a été construit par plus de 370 chercheurs et ingénieurs de 17 pays, pour un montant total d'environ 40 millions d'euros. Il est situé dans la province de Mendoza, en Argentine. Le CNRS est le principal organisme français de financement de l'observatoire. Si l'Américain  Jim Cronin (prix Nobel) et l'Anglais Alan Watson sont à l'origine de l'observatoire, Murat Boratav, professeur au Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (CNRS/IN2P3, Universités Paris 6 et 7) en est le pionnier en France et les chercheurs français sont nombreux à participer à la collaboration Auger. Les laboratoires qui y ont contribués sont les suivants :   

 

- Institut de Physique Nucléaire d'Orsay (IN2P3/CNRS, Université Paris Sud-11)

- Laboratoire Astroparticule et Cosmologie (IN2P3/CNRS, Université Paris 7, CEA, Observatoire de Paris)

- Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (IN2P3/CNRS, Université Paris Sud-11)

- Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Énergies (IN2P3/CNRS, Universités Paris 6 et 7)

- Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (IN2P3/CNRS, Université Grenoble 1, Institut  Polytechnique de Grenoble.)

- Observatoire des Sciences de l'Univers de Besançon (INSU/CNRS, Université de Besançon)

 

Auger

© Observatoire Pierre Auger (visuel disponible auprès de la photothèque du CNRS, écrire à phototheque@cnrs-bellevue.fr)

L'un des 1600 détecteurs de surface des particules produites par l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre. Les Andes forment l'arrière-plan.



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