28 Octobre 2014

XMM-Newton découvre une source de rayons cosmiques basse énergie

Grâce à XMM-Newton, le satellite européen d'astronomie en rayons X, des chercheurs du CNRS et du CEA ont découvert une nouvelle source de rayons cosmiques qui diffèrent des rayons cosmiques connus jusqu'à maintenant. Au voisinage de l'amas des Arches, près du centre de la Voie lactée, ces particules sont accélérées dans l'onde de choc générée par le déplacement à une vitesse d'environ 700 000 km/h de dizaines de milliers de jeunes étoiles. Ces rayons cosmiques produisent alors une émission X caractéristique en interagissant avec les atomes du gaz ambiant.

La région de l'amas des Arches vue en rayons X (contours) et dans le proche infrarouge (image de fond)
La région de l'amas des Arches vue en rayons X (contours) et dans le proche infrarouge (image de fond). La carte infrarouge est obtenue à partir des observations du télescope Hubble à la longueur d'onde de 1,875 µm (données tirées de Dong et al. 2011, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 417, 114). Les contours indiquent l'intensité de la raie du fer neutre observée par XMM-Newton autour de l'amas d'étoiles (situé au centre de l'image). L'émission X est produite par des rayons cosmiques accélérés dans l'onde de choc formée dans le milieu interstellaire par le mouvement supersonique de l'amas. Celui-ci se déplace de la droite vers la gauche de l'image à environ 700 000 km/h.

Il y a cent ans, le physicien autrichien Victor Franz Hess découvrait l'existence d'un rayonnement ionisant d'origine extraterrestre, les "rayons cosmiques". Lorsque certaines étoiles en fin de vie explosent et deviennent des supernova, leur matière est éjectée à une vitesse supersonique et génère des ondes de choc qui accélèrent les particules. Certains noyaux atomiques acquérant ainsi une très forte énergie cinétique atteignent la Terre. Il s'agit de rayons cosmiques haute énergie.

Mais les rayons cosmiques dont l'énergie cinétique est inférieure à un demi-milliard d'électronvolts ne sont pas détectés au voisinage de notre planète, car le vent solaire les empêche de pénétrer dans l'héliosphère. On ne sait donc pas grand-chose de la composition chimique des rayons cosmiques basse énergie et de leur flux en dehors du système solaire, mais tout indique qu'ils jouent un rôle important dans la galaxie. Ainsi, en ionisant et en chauffant les nuages interstellaires les plus denses, ils régulent sans doute la formation des étoiles.

De la théorie à l'observation

Les auteurs de l'article ont commencé par étudier de façon théorique l'émission X que devraient générer des rayons cosmiques de basse énergie dans le milieu interstellaire. Puis ils ont recherché la trace de cette émission théorique dans des données en rayons X accumulées par XMM-Newton depuis son lancement en 1999.

En analysant les propriétés de l'émission X du fer interstellaire enregistrée par le satellite, ils ont alors trouvé les signatures d'une forte population d'ions rapides au voisinage de l'amas des Arches, à environ cent années-lumière du centre de la Voie lactée. Les étoiles de cet amas se déplacent de concert à la vitesse d'environ 700 000 km/h.

Les rayons cosmiques sont vraisemblablement produits dans la collision à grande vitesse de l'amas d'étoiles avec un nuage de gaz se trouvant sur leur chemin. Dans cette région particulière, la densité d'énergie des ions accélérés est environ mille fois supérieure à celle des rayons cosmiques au voisinage du système solaire.

"Ces résultats montrent la puissance de la combinaison imagerie-analyse spectrale, et les performances de XMM-Newton. Ils résultent aussi d'un remarquable travail de modélisation et d'analyse scientifique", explique Olivier La Marle, responsable du thème astrophysique au CNES. Le CNES a financé une partie de l'étude et soutient depuis le début le traitement et la mise à disposition des données de XMM-Newton.

Il s'agit de la première découverte d'une source majeure de rayons cosmiques de basse énergie en dehors du système solaire. Cela montre que les ondes de choc des supernova ne sont pas les seuls objets à pouvoir accélérer en masse des noyaux atomiques dans la galaxie. Ces résultats devraient permettre d'identifier de nouvelles sources d'ions dans le milieu interstellaire et peut-être de mieux comprendre les effets de ces particules énergétiques sur la formation des étoiles.

Références de l'article

V. Tatischeff¹, A. Decourchelle², and G. Maurin² ³ (2012), Nonthermal X-rays from low-energy cosmic rays: Application to the 6.4 keV line emission from the Arches cluster region, A&A, 546, A88.

1 Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse, IN2P3/CNRS and Univ Paris-Sud, 91405 Orsay, France
2 Service d'Astrophysique (SAp)/IRFU/DSM/CEA Saclay, Bt. 709, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, Laboratoire AIM, CEA-IRFU/CNRS/Univ Paris Diderot, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
3 Laboratoire d'Annecy le Vieux de Physique des Particules, Univ. de Savoie, CNRS, BP 110, 74941 Annecy-le-Vieux Cedex, France

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