Grâce au satellite européen XMM-Newton d’astronomie en rayons X [1], des chercheurs du CNRS [2] et du CEA [3] ont découvert une nouvelle source de rayons cosmiques. Au voisinage de l’extraordinaire 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. Leur origine diffère de celle des rayons cosmiques découverts il y a tout juste cent ans par Victor Hess, qui sont issus des explosions de supernovæ. Ces résultats sont publiés dans le numéro 546 de la revue Astronomy & Astrophysics.
Le choc d'un amas d'étoiles
Un flot de particules (noyaux d'atomes et électrons) circulent à très haute vitesse dans la Galaxie, connus pour des raisons historiques sous le nom de "rayons cosmiques " bien qu"il ne s'agisse pas de rayonnement mais de particules. Les rayons cosmiques de basse énergie [4] 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 leur composition chimique 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.
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 le satellite XMM-Newton depuis son lancement en 1999. Ils ont alors trouvé dans l’émission X du fer interstellaire 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 (Fig. 1). Dans cette région particulière, la densité d’énergie des rayons cosmiques est environ mille fois supérieure à celle des rayons cosmiques au voisinage du système solaire.
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 micromètres . 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 une onde de choc formée par le déplacement rapide des étoiles. Crédits :ESA-XMM/NASA-HST/ CNRS-IN2P3-CSNSM/CEA-SAp.
Il s’agit de la première découverte d’une source majeure de rayons cosmiques [5] de basse énergie en dehors du système solaire. Cela montre que les ondes de choc des supernovae 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.
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Publications :
"Nonthermal X-rays from low-energy cosmic rays: Application to the 6.4 keV line emission from the Arches cluster region"
V. Tatischeff, A. Decourchelle, and G. Maurin, dans Astronomy & Astrophysics, vol 546, A88 (octobre 2012),
(pour une version électronique 
fichier PDF)
voir - le communiqué de presse CEA (11 ocobre 2012)
- le comuniqué de presse CNRS (11 octobre 2012)
Notes :
[1] XMM-Newton est un satellite de l’ESA auquel le CNES, le CEA et le CNRS ont fortement contribué.
[2] Laboratoires impliqués : Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CNRS/Université Paris-Sud 11), Laboratoire d'Annecy le Vieux de Physique des Particules (CNRS/Université de Savoie), Laboratoire Astrophysique, Interactions, Multi-échelles (CEA/CNRS/Université Paris-Diderot).
[3] CEA Institut de recherches sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu), Service d'astrophysique.
[4] Ceux dont l’énergie cinétique est inférieure à un demi-milliard d’électronvolts.
[5] Les rayons cosmiques découverts sont hadroniques, c’est à dire constitués en grande majorité de noyaux d’atomes. Les rayons cosmiques hadroniques représentent près de 99% des particules galactiques détectées au voisinage terrestre. Les électrons et positrons, qui constituent la composante leptonique du rayonnement cosmique, sont bien moins nombreux.
• Structure et évolution de l'Univers › Phénomènes cosmiques de haute énergie et astroparticules
• Le Département d'Astrophysique (DAp) // UMR AIM
