Depuis quelques années, dans une vaste prairie d’Argentine, les gauchos locaux partagent les herbes dorées de la pampa avec une étrange flopée de cuves d’eau. Ces 1 600 citernes insolites sont en fait des détecteurs de particules qui, avec la ceinture de télescopes située non loin, composent l’Observatoire international Pierre Auger¹, le plus grand observatoire de rayons cosmiques du monde.
Ceux-ci sont en fait des particules incroyablement énergétiques qui pleuvent continuellement sur la Terre à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsqu’ils percutent l’atmosphère, ils produisent des gerbes de milliards de particules secondaires. Parmi ces rayons cosmiques, on trouve les particules les plus énergétiques jamais observées dans la nature. En effet, celles-ci contiennent une énergie cent millions de fois plus importante que celle des particules produites par les plus puissants accélérateurs. Mais depuis la découverte des rayons cosmiques par le physicien français Pierre Auger en 1938, les particules dotées d’énergies extrêmes sont restées mystérieuses. De quoi sont-elles composées ? D’où viennent-elles ? L’Observatoire Auger vient tout juste d’offrir des pistes de réponse.
En novembre dernier, une collaboration de scientifiques de dix-sept pays a en effet annoncé que ces énigmatiques rayons proviendraient de galaxies extérieures à la Voie lactée². Pour eux, les particules qui arrivent sur Terre ne proviennent pas de directions arbitraires. Leurs origines sont groupées et semblent correspondre à la position de noyaux de galaxies actives (AGN). Au centre de ces galaxies, les jets et les ondes de choc entourant des trous noirs seraient responsables de l’accélération des particules, et donc à l’origine de leur haute énergie. Le mécanisme exact de cette accélération, cependant, est encore inexpliqué.
Pour obtenir leurs résultats, les astrophysiciens d’Auger ont observé les rayons cosmiques indirectement, en mesurant la gerbe de particules qu’ils produisent dans l’atmosphère à l’aide de deux méthodes. La première met à profit les 1 600 détecteurs de surface, éparpillés sur une étendue de pampa de la taille du Luxembourg. Chaque citerne de 12 000 litres est complètement obscure à l’intérieur, mais s’illumine – de manière infime – lorsqu’une particule chargée la traverse. À grande vitesse, cette dernière produit en effet une lumière dite « Cherenkov » qui peut ensuite être mesurée. D’infimes disparités dans les temps de détection, qui varient selon l’emplacement des cuves, permettent alors aux chercheurs de déterminer la direction d’origine des rayons.La seconde technique, quant à elle, se sert de télescopes pour traquer la faible lueur émise par les particules lorsqu’elles percutent l’atmosphère. En effet, lors de nuits sans lune, des détecteurs de lumière peuvent mesurer l’intensité de cette fluorescence et en déduire l’orientation et la composition des rayons cosmiques.


En combinant ces deux méthodes et leurs résultats, cet observatoire hybride est donc parvenu à une récolte de données sans précédent. Initialement proposé en 1992 par les Américains Jim Cronin (Prix Nobel de physique) et Alan Watson, et officiellement inauguré en 2005, l’observatoire a vu le jour grâce au travail de 370 physiciens et ingénieurs appartenant à plus de 70 institutions dans le monde. Les 17 pays participants en ont partagé le financement qui s’élevait à 40 millions d’euros. Le CNRS, lui, a été le premier contributeur français, et nombre de ses chercheurs sont encore activement impliqués dans le projet³, dont Pierre Billoir et Antoine Letessier-Selvon, du Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (LPNHE)⁴ à Paris.
Après l’obtention de résultats si spectaculaires, si peu de temps après l’ouverture de l’observatoire, les chercheurs d’Auger attendent avec impatience l’enclenchement des phases suivantes de ce grand projet international. Au programme : l’inauguration d’un site jumeau dans l’État du Colorado aux États-Unis pour entrebâiller, d’un petit cran de plus, cette vaste fenêtre sur l’Univers.

Lucille Hagège