Une étude, dont les résultats intitulés «Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 10¹⁸ eV» sont publiés dans la revue Science et ont été archivés en pdf, a permis de conclure que les rayons cosmiques les plus énergétiques ne proviennent pas de la Voie lactée, mais ont été propulsés depuis des galaxies situées à des dizaines, voire des centaines de millions d'années-lumière.

Commençons par rappeler que les rayons cosmiques «sont des noyaux atomiques qui traversent notre Univers à une vitesse proche de celle de la lumière». Alors qu'il est incontestable que «ceux de basse énergie proviennent du Soleil ou de notre galaxie», l'origine des particules les plus énergétiques était toujours «débattue depuis leur découverte il y a un demi-siècle»: la question était de savoir si elles sont «issues de la Voie lactée ou d'objets extragalactiques éloignés».

L'étude ici présentée tranche la question après des analyses «de 30 000 particules cosmiques d'une énergie un million de fois supérieure à celle des protons accélérés au LHC», qui «ont été détectées entre 2004 et 2016 avec le plus grand observatoire de rayons cosmiques jamais construit, l'observatoire Pierre Auger, en Argentine».

Plus précisément, «l'étude des directions d'arrivée de ces particules montre qu'à ces énergies, le flux de rayons cosmiques en provenance d'une zone du ciel pointant à 120 degrés du centre galactique est environ 6 % plus élevé que si le flux était parfaitement uniforme». Comme «cette direction ne peut pas être associée à des sources potentielles dans le plan de la galaxie ou en son centre», il s'agit là de «la première preuve convaincante d'une origine extragalactique pour ces rayons cosmiques».

 

Quand «ces rayons cosmiques très énergétiques (au-delà de 2 joules)», dont le flux est «d'environ 1 par kilomètre carré et par an», entrent «en collision avec les molécules de la haute atmosphère, ils créent une cascade de plus de 10 milliards de particules secondaires, appelée gerbe atmosphérique, qui peut s'étendre sur plus de 40 kilomètres carrés quand elle arrive au sol».

Ce sont «certaines de ces particules secondaires (électrons, photons et muons)» que l'observatoire Pierre Auger détecte «grâce à un réseau de 1 600 détecteurs – des cuves d'eau pure espacées d'1,5 kilomètre, qui s'étendent sur une surface de 3 000 kilomètres carrés dans la pampa argentine (soit un peu plus que la taille du Luxembourg)». Le principe est qu'en «comparant les temps d'arrivée des particules dans différents détecteurs, on peut déterminer la direction d'où provient le rayon cosmique qui a produit la gerbe atmosphérique».

Soulignons cependant que si cette étude «indique clairement une origine extragalactique pour ces particules cosmiques, le motif observé dans le ciel ne pouvant être le fruit du hasard qu'avec une chance sur cinq millions», elle «ne permet pas encore de localiser précisément les sources», car «la région la plus brillante en rayons cosmiques s'étend sur une vaste portion du ciel, où le nombre de galaxies est relativement élevé», sans compter que «le champ magnétique de la Voie lactée dévie les trajectoires de ces particules chargées et brouille les pistes».

Remarquons aussi qu'il existe des rayons cosmiques encore plus énergétiques que ceux examinés ici. Leur inconvénient est «d'être encore plus rares», mais ils ont l'avantage «d'être moins déviés par le champ magnétique de notre propre galaxie» de sorte que leur direction d'arrivée pourrait «pointer au plus près de leur lieu de production». Néanmoins, les études menées jusqu'ici pour établir «une corrélation entre des noyaux actifs de galaxies et les directions d'arrivée des rayons cosmiques les plus énergétiques» n'ont pas encore fourni de résultats suffisamment significatifs.