Etudier les électrons les plus énergétiques du rayonnement cosmique

Le rayonnement cosmique, découvert il y a plus d’un siècle, est constitué d’un flot de particules (noyaux d’atomes, protons, électrons, photons…) qui arrivent en permanence sur l’atmosphère de la Terre. Ces particules proviennent d’une multitude de sources astrophysiques. 

Depuis 2003, l’observatoire H.E.S.S., construit en Namibie par un consortium de 14 pays, dispose de 4 télescopes (et d’un cinquième depuis 2012) pour observer ce rayonnement cosmique de façon indirecte. En arrivant sur la haute atmosphère, ces particules très énergétiques interagissent avec des atomes d’oxygène ou d’azote, ce qui créent en cascade une multitude d’autres particules très rapides. Celles-ci engendrent un flash lumineux, indétectable à l’œil nu mais capté par les télescopes dotés de caméras spécialement conçues, notamment au Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR*).

Dans leur dernière publication, les scientifiques ont analysé en détails plus de dix ans d’archives d’observations à la recherche en particulier des électrons cosmiques (ainsi que des positrons, bien moins fréquents que les électrons). A la différence des photons qui traversent l’espace en ligne droite, et dont on peut identifier l’origine, les électrons sont déviés par les champs magnétiques galactiques, ce qui brouille leur provenance. « Par ailleurs, les électrons cosmiques sont d’autant plus rares que leur énergie est élevée, ce qui rend leur détection ardue » souligne Mathieu de Naurois, directeur de recherche CNRS au LLR et directeur adjoint de la collaboration H.E.S.S. 

Par un travail minutieux de tri parmi plusieurs milliers d’heures de données, les chercheurs ont pu extraire ces électrons, jusqu’à 40 Téraélectrons-volts (TeV). Il s’agit des électrons cosmiques les plus énergétiques jamais détectés.  Par comparaison, le record pour des électrons dans des accélérateurs de particules sur Terre est une centaine de fois moins élevé.

Surtout, l’analyse de la répartition de ces électrons en énergie indique qu’il y a une rupture vers 1 TeV, à partir de laquelle la fréquence des électrons observés chute plus rapidement quand l'énergie augmente. « Cette information, combinée avec le fait que les électrons perdent de l’énergie en voyageant, nous indique que les sources ayant émis ces particules sont en petit nombre et se situent à quelques centaines d'années-lumière du Système Solaire » explique Mathieu de Naurois. Parmi les hypothèses les plus probables, des pulsars (des étoiles à neutrons en rotation rapide) ou des restes de supernovae. Ces environnements extrêmes sont connus pour être propices à l’accélération de particules car des photons de haute énergie en provenance de telles sources ont déjà été détectés. « Mais à l’origine de ces photons, il peut y avoir des électrons énergétiques comme ceux que cette étude met en évidence » poursuit Mathieu de Naurois. C’est une pièce de plus pour comprendre les mécanismes derrière ces accélérations cosmiques phénoménales, dont bien des aspects restent encore inconnus.

*LLR : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France