Cent ans après, la découverte d`un nouveau type - CSNSM

Cent ans après, la découverte d’un nouveau type de rayons cosmiques
Grâce à XMM-Newton(1), le satellite européen d’astronomie en rayons X, 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 la revue Astronomy & Astrophysics.
Il y a cent ans, le physicien autrichien Victor Franz Hess découvrait l’existence d’un
rayonnement ionisant d’origine extraterrestre, les « rayons cosmiques ». Leur nature est
aujourd’hui bien connue. Lorsque certaines étoiles en fin de vie explosent et deviennent des
supernovæ, 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 arrivent jusqu’à la Terre.
Mais 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 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 (Fig. 1). 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.
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.
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) 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.
Figure 1. 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 m (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. Crédit image : Vincent Tatischeff.
Référence :
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, A&A, 2012, 546, A88,
http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201219016
Contacts :
Chercheurs :
Vincent Tatischeff, Tél : [phone], [email protected]
Anne Decourchelle, Tél : [phone], [e-mail]
Gilles Maurin, Tél : [phone], [email protected]
Presse CNRS :
Julien Guillaume - Tél [phone] – [email protected]