Les sursauts gamma provenant d'étoiles lointaines, comme le montre l'illustration de cet artiste, sont une source possible des "particules OMG" ultra-puissantes qui frappent occasionnellement les détecteurs des scientifiques sur Terre.
(Image: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter est astrophysicien à l'Ohio State University et scientifique en chef au COSI science center. Sutter est également l'hôte de «Ask a Spaceman» et «Space Radio», et dirige AstroTours à travers le monde. Sutter a contribué cet article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.
À l'heure actuelle, lorsque vous lisez ce texte, votre ADN est coupé par de minuscules balles invisibles. Les revendeurs de dégâts sont connus sous le nom de rayons cosmiques, même s'ils ne sont absolument pas des rayons - mais le nom est issu d'un malentendu historique. Au lieu de cela, ce sont des particules: des électrons et des protons, principalement, mais parfois des choses plus lourdes comme l'hélium ou même des noyaux de fer.
Ces particules cosmiques sont problématiques, car a) elles sont rapides et ont donc beaucoup d'énergie cinétique à balancer et b) elles sont chargées électriquement. Cela signifie qu'ils peuvent ioniser nos pauvres nucléotides d'ADN, les déchirer et conduire occasionnellement à des erreurs de réplication incontrôlables (aka, cancer). ['Superstar' Eta Carinae agit comme un pistolet à rayons cosmiques gigantesque, mais pourquoi?]
Comme si cela ne suffisait pas, de temps en temps, environ une fois par kilomètre carré par an, une particule crie dans notre haute atmosphère à une vitesse vraiment monstrueuse, frappant une malheureuse molécule d'azote ou d'oxygène et tombant en cascade dans une pluie de particules secondaires de faible énergie (mais toujours mortelles, bien sûr).
Il n'y a qu'une seule réponse appropriée face à une particule d'un tel potentiel absurde: «OMG».
Fastballs
"OMG" était le surnom donné au premier exemple de ce que l'on appelle maintenant les rayons cosmiques à ultra-haute énergie, détecté en 1991 par le détecteur de rayons cosmiques Fly's Eye de l'Université de l'Utah. Ce proton unique a percuté notre atmosphère à une vitesse d'environ 99,9999999999999999999999951 pour cent de la vitesse de la lumière. Et non, tous ces neuf ne sont pas seulement pour un effet dramatique pour rendre le nombre impressionnant - c'était vraiment aussi rapide. Cette particule avait la même quantité d'énergie cinétique qu'une balle de baseball lancée décemment… compressée en un objet de la taille d'un proton.
Cela signifie que cette particule avait plus de 10 millions de fois plus d'énergie que ce que notre collisionneur de particules le plus puissant, le LHC, peut produire. En raison de la dilatation temporelle relativiste, à cette vitesse, la particule OMG pourrait se rendre à notre étoile voisine la plus proche, Proxima Centauri, en 0,43 milliseconde du temps de la particule. Il pourrait continuer à notre noyau galactique lorsque vous aurez fini de lire cette phrase (de son propre point de vue).
OMG, en effet.
Depuis la détection de cette particule, nous avons continué à surveiller le ciel pour ces événements extrêmes en utilisant des télescopes et des détecteurs spécialisés à travers le monde. Tout compte fait, nous avons enregistré une centaine de particules de classe OMG au cours des dernières décennies.
Ces quelques dizaines d'exemples élucident et approfondissent les mystères de leurs origines. Plus de données sont toujours bonnes, mais que diable dans notre univers est assez puissant pour donner à un proton une fissure suffisamment bonne pour qu'il puisse presque - presque - défier la lumière elle-même à une race?
Knuckleballs
Pour accélérer une particule chargée à des vitesses folles, vous avez besoin de deux ingrédients clés: beaucoup d'énergie et un champ magnétique. Le champ magnétique fait le travail de transfert à la particule quelles que soient les énergies de votre événement (par exemple, l'énergie cinétique explosive d'un souffle de supernova ou l'attraction gravitationnelle tourbillonnante lorsque la matière tombe vers un trou noir). La physique détaillée est, naturellement, incroyablement compliquée et pas très bien comprise. Les lieux de naissance des rayons cosmiques sont terriblement compliqués et situés dans les régions extrêmes de notre univers, donc une image physique complète sera difficile à trouver.
Mais nous pouvons toujours faire des suppositions éclairées quant à la provenance d'exemples extrêmes comme notre ami la particule OMG. Notre première supposition pourrait être des supernovas, les morts titanesques d'étoiles massives. Champs magnétiques? Vérifier. Beaucoup d'énergie? Vérifier. Mais pas assez d'énergie pour faire l'affaire. La détonation stellaire de votre jardin n'a tout simplement pas assez de punch brut pour cracher des particules aux vitesses que nous envisageons.
Et après? Les noyaux galactiques actifs sont de puissants prétendants. Ces noyaux sont créés lorsque la matière tourbillonne vers son destin autour d'un trou noir supermassif situé au centre d'une galaxie; ce matériau se comprime et se réchauffe, formant un disque d'accrétion dans ses derniers instants. Ce tourbillon d'enfer génère des champs magnétiques intenses à partir des actions de la dynamo, formant le puissant mélange d'ingrédients nécessaires pour ajouter une puissance importante aux particules éjectées.
Sauf (et vous saviez qu'il allait y avoir un «sauf»), les noyaux galactiques actifs sont trop éloignés pour produire des rayons cosmiques qui atteignent la Terre. À la vitesse ridicule d'un rayon cosmique à ultra-haute énergie, la croisière dans le cosmos ressemble plus à une tentative de labourer une tempête de neige. En effet, à ces vitesses, l'arrière-plan cosmique des micro-ondes - le flot de photons de faible énergie laissés par le tout premier univers - semble fortement décalé vers les énergies supérieures. Donc, cette lumière à haute intensité frappe et tape sur le rayon cosmique qui se déplace, le ralentissant et finalement l'arrêtant.
Ainsi, nous ne devrions pas nous attendre à ce que les rayons cosmiques les plus puissants parcourent plus de cent millions d'années-lumière ou plus - et la plupart des noyaux galactiques actifs sont beaucoup, beaucoup plus éloignés de nous que cela.
Curveballs
Pendant un certain temps, un suspect majeur pour la génération d'OMG était Centaurus A, un noyau galactique actif relativement proche qui se situe entre 10 millions et 16 millions d'années-lumière. Puissant, magnétique et proche - le combo parfait. Mais alors que certaines enquêtes ont laissé entendre que les rayons cosmiques peuvent provenir de sa direction générale, il n'y a jamais eu de corrélation suffisamment claire pour faire passer cette galaxie du suspect au condamné. [Un regard profond sur l'étrange Galaxy Centaurus A]
Une partie du problème est que le propre champ magnétique de la Voie lactée modifie subtilement la trajectoire des rayons cosmiques entrants, déguisant leurs directions d'origine. Donc, pour reconstruire la source d'un rayon cosmique, vous avez également besoin de modèles pour la force et les directions du champ magnétique de notre galaxie - quelque chose sur lequel nous n'avons pas exactement une poignée complète.
Si le générateur OMG n'est pas le Centaurus A en lui-même, alors ce sont peut-être les galaxies Seyfert, une certaine sous-classe galactique de noyaux galactiques actifs généralement plus proches, généralement plus faibles (mais toujours incroyablement brillants et forts). Mais encore une fois, avec même pas une centaine d'échantillons sur lesquels s'appuyer, il est difficile de faire une détermination statistique rigoureuse.
Peut-être que ce sont des sursauts gamma, censés émaner de la fin cataclysmique particulière de certaines des étoiles les plus extrêmes. Mais notre compréhension de la physique de cette situation est (pouvez-vous le croire?) Un peu sommaire.
C'est peut-être quelque chose de plus exotique, comme des défauts topologiques des premiers moments du Big Bang ou des interactions géniales dans la matière noire. Peut-être que nous nous trompons de physique et que nos calculs de limites de distance ne sont pas précis. Peut-être, peut-être, peut-être ...
Les véritables origines de ces particules "OMG" à ultra-haute énergie sont difficiles à cerner, et malgré près de 30 ans d'histoire de détection, nous n'avons pas beaucoup de réponses fermes. Ce qui est bien - c'est bien d'avoir au moins quelques mystères dans l'univers. Les astrophysiciens pourraient également utiliser une certaine sécurité d'emploi.
Apprenez-en plus en écoutant l'épisode sur le podcast "Ask A Spaceman", disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à hchrissscottt pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter. Suivez-nous @Spacedotcom, Facebook et Google+. Article original sur Space.com.
