Voir à l’intérieur d’un super accélérateur cosmique – Sky & Telescope

La représentation de cet artiste montre une nébuleuse du vent pulsar autour d’un autre pulsar, nommé Geminga. Les nébuleuses du vent pulsar pourraient être les sites cosmiques d’accélérateurs de particules.
Nahks TrEhnl

Sortez une pièce de votre poche et retournez-la. Ce tirage au sort transporte un péta-électron-volt (PeV) d’énergie. Imaginez maintenant une particule un million de milliards de fois plus petite que votre pièce de monnaie, bien au-delà de la portée même du microscope le plus puissant – et elle passe avec la même quantité d’énergie. Cette seule particule dépasse mille fois l’énergie que peuvent générer les accélérateurs de particules les plus sophistiqués de l’humanité.

Pourtant, l’univers ne manque pas de telles particules extrêmement énergétiques. Ils percutent l’atmosphère terrestre tout le temps. Mais alors que les astronomes savent depuis longtemps que ces particules puissantes existent, ils ont du mal à comprendre comment elles se sont produites. Ce n’est que récemment que les données ont commencé à faire la lumière sur ce phénomène.

Un chemin tortueux

Le problème est que les particules de PeV sont généralement chargées, qu’il s’agisse de protons ou d’électrons. En tant que tels, ils sont sensibles aux manipulations des champs magnétiques, leurs trajectoires se courbant dans tous les sens lorsqu’ils traversent la galaxie. Retracer une seule particule jusqu’à sa source est presque impossible.

Mais les processus qui fabriquent les particules énergétiques produisent également des rayons gamma. Et les rayons gamma, étant des photons sans charge, ne sont pas si facilement induits en erreur par le champ magnétique tourbillonnant de la galaxie. Ces photons sont donc les messagers qui peuvent dire aux astronomes où les particules sont accélérées — et comment.

Deux installations ont été mises en ligne ces dernières années pour permettre aux astronomes d’accéder aux rayons gamma de la plus haute énergie : le Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) au Tibet et le High-Altitude Water Cherenkov Observatory (HAWC) au Mexique. Leurs données ont permis aux astronomes d’identifier environ une douzaine d’accélérateurs de particules cosmiques possibles, connus sous le nom de Pévatrons

Observatoire tibétain des particules
LHAASO, l’observatoire des rayons cosmiques à Yangbajing, dans la région autonome du Tibet (sud-ouest de la Chine).
Institut de physique des hautes énergies de l’Académie chinoise des sciences

La nébuleuse de l’anguille

L’un de ces candidats Pevatron est la nébuleuse de l’anguille, à 11 400 années-lumière dans la constellation Scutum. Dans cette nébuleuse, un nuage de particules chargées entoure un pulsar alors qu’il accélère dans l’espace, ce qui lui donne sa forme distincte de serpent.

En utilisant des observations non seulement des rayons gamma, mais aussi des rayons X et des ondes radio pour décrire le nuage de particules, Daniel Burgess (Columbia Astrophysics Laboratory) et son équipe ont mis au point un modèle informatique qui décrit l’état actuel du pulsar, le plasma qui l’entoure, et leur évolution dans le temps. Dans une étude à paraître dans Journal astrophysique (preprint disponible ici), ils montrent que ce Pevatron particulier accélère les électrons aux énergies PeV.

Nébuleuse de l'anguille aux rayons X et aux rayons gamma
Cette animation montre d’abord les photons X détectés depuis la nébuleuse de l’Anguille, puis l’émission de rayons gamma. Les rayons gamma ont une énergie plus élevée et une résolution inférieure à celle des rayons X, de sorte que l’image apparaît beaucoup plus floue aux rayons gamma.
Daniel Burgess et al.

“C’est l’un des premiers identifiés sans ambiguïté [electron-accelerating] candidats PeVatron », déclare Henrike Fleischhack (Université catholique d’Amérique). « Les observations de suivi et la modélisation détaillée présentées ici. † † peut servir de modèle pour l’étude et l’identification d’autres candidats PeVatron.

En effet, le membre de l’équipe Kaya Mori (également au Columbia Astrophysics Laboratory) confirme que l’équipe travaille à appliquer la même technique à plusieurs autres nuages ​​de pulsars, dont deux nébuleuses nommées de manière évocatrice Dragonfly et Boomerang. D’autres équipes étudient des Pevatrons alternatifs, tels que les bulles de plasma choquées projetées par des explosions de supernova.

Alors que la nébuleuse de l’anguille est une source candidate évidente d’électrons PeV, Fleischhack souligne que les particules énergétiques observées sur Terre consistent non seulement en électrons mais aussi en protons. Et jusqu’à présent, la plupart des autres candidats Pevatrons se sont avérés accélérer uniquement les électrons.

« La question demeure », dit Fleischhack : « Où sont les [proton-accelerating] Les PeVatrons que nous savons doivent être là-bas ? »


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