Astronomie

Source de particules cosmiques de haute énergie

Source de particules cosmiques de haute énergie


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La Terre reçoit une pluie de rayonnements solaires et cosmiques toutes les secondes. Le Soleil a mis en place une héliosphère autour du système solaire et donc les particules étrangères chargées de haute énergie ne pouvaient pas pénétrer facilement. Existe-t-il très probablement une autre source qui se trouve dans notre système solaire ?

Noter:

  1. Des particules cosmiques de très haute énergie au-delà de 5,7 x 10^19 eV ont été observées par l'Observatoire Pierre Auger en Argentine. (rare mais la limite GZK semble exclure les sources à distance)
  2. La limite GZK a à peu près plafonné le niveau d'énergie supérieur des rayons cosmiques car ils sont ralentis en raison du CMB sur une grande distance

Normalement, les deux principales sources de rayons cosmiques sont considérées comme le Soleil (particules énergétiques solaires) et les sources galactiques ou extragalactiques, bien que les sources extragalactiques soient plus courantes. Étonnamment, cependant, il est une troisième source, une famille de particules appelées rayons cosmiques anormaux (voir Hovestadt et al. (1973) et Garcia-Munoz et al. (1973)). Ce sont des particules - généralement des noyaux ionisés d'éléments plus légers - provenant principalement de l'espace interstellaire avec des énergies de l'ordre de $sim10$ à $sim10^2 ext{ MeV}$.

Les rayons cosmiques anormaux sont généralement accélérés à la fin du choc de l'héliosphère, se déplaçant dans l'héliogaine. Certains peuvent alors s'échapper dans le système solaire interne. Voici une image de Stone et al. (2005), qui les montre comme une population distincte des rayons cosmiques galactiques :

Or, ces particules sont techniquement d'origine interstellaire, même si elles ne sont accélérées à de grandes vitesses qu'à la limite du système solaire. Cependant, une population apparentée peut avoir été trouvée dans la ceinture de Kuiper (voir Schwadron et al. (2002)), formée de grains là-bas après des collisions entre objets. Bien que ceux-ci ne soient pas nécessairement - ni même probables - la source dominante de rayons cosmiques anormaux, ils existent et constituent donc une autre source de rayons cosmiques à l'intérieur du système solaire.


Observatoire d'astronomie des hautes énergies 1

HEAO-1 était un télescope à rayons X lancé en 1977. HEAO-1 a étudié le ciel dans la partie des rayons X du spectre électromagnétique (0,2 keV - 10 MeV), fournissant une surveillance presque constante des sources de rayons X près des pôles écliptiques et plus détaillée études d'un certain nombre d'objets par des observations d'une durée de 3 à 6 heures. C'était le premier des trois observatoires d'astronomie à haute énergie de la NASA, HEAO 1, lancé le 12 août 1977 à bord d'une fusée Atlas avec un étage supérieur Centaur, a fonctionné jusqu'au 9 janvier 1979. Pendant ce temps, il a balayé le ciel aux rayons X presque trois fois

HEAO comprenait quatre instruments d'astronomie à rayons X et gamma, appelés respectivement A1, A2, A3 et A4 (avant le lancement, HEAO 1 était connu sous le nom de HEAO A). L'inclinaison orbitale était d'environ 22,7 degrés. HEAO 1 est rentré dans l'atmosphère terrestre le 15 mars 1979.


Des chercheurs détectent une source galactique de rayons gamma qui pourrait produire des rayons cosmiques de très haute énergie

Crédit : Association RUVID

Le chercheur de l'IFIC Francisco Salesa Greus, ainsi que d'autres membres de la collaboration HAWC, ont détecté des photons de très haute énergie provenant d'une source galactique qui pourraient produire des rayons cosmiques. La détection de neutrinos grâce à des télescopes tels que KM3NeT ou IceCube confirmerait l'étude. Cette découverte a été publiée dans The Lettres de revues astrophysiques.

HAWC est un observatoire de rayons gamma situé au Mexique qui permet de collecter des informations sur les phénomènes les plus violents qui se produisent dans l'univers. Les rayons gamma sont produits dans des phénomènes astrophysiques très énergétiques, tels que les explosions de supernova ou les noyaux de galaxies actives et sont constitués de photons de haute énergie qui lorsqu'ils entrent en contact avec l'atmosphère terrestre sont absorbés, ce qui rend leur observation difficile.

L'analyse, dirigée par Salesa, chercheur à l'Institut de physique corpusculaire (UV-CSIC), montre la détection de photons de haute énergie provenant d'une source galactique, HAWC J1825-134, dont le spectre se poursuit sans interruption jusqu'à des niveaux d'au moins 200 TeV. , ce qui impliquerait que cette émission aurait dû être créée par des rayons cosmiques encore plus puissants, de l'ordre du pétaélectronvolt (PeV), ce qui montre leur origine possible. En fait, il existe plus de 200 sources de rayons gamma qui émettent à des énergies de téraélectronvolts (TeV) mais moins d'une douzaine de sources émettant plus de 100TeV ont été confirmées.

Selon cette étude, les rayons gamma observés par HAWC seraient le résultat de l'interaction de rayons cosmiques de plus haute énergie avec les molécules d'une zone de haute densité de matière, un nuage moléculaire.

Le résultat d'être devant l'une des sources de rayons cosmiques les plus puissantes découvertes à ce jour pourrait être confirmé avec la détection de neutrinos de HAWC J1825-134 à l'aide de télescopes à neutrinos tels que KM3NeT ou IceCube. Cette source se distingue par sa position idéale pour être observée par le futur KM3NeT.

"Les résultats des observations HAWC J1825134 font de cette source un candidat clair pour l'émission de neutrinos de haute énergie", explique Francisco Salesa. Avec un télescope du volume de détection de KM3NeT on s'attend à pouvoir observer cette source pendant la période de fonctionnement du détecteur. "HAWC J1825134 a l'avantage d'être situé dans l'hémisphère céleste sud, qui est la partie du ciel où KM3NeT est le plus sensible", ajoute Salesa.

Télescopes KM3NeT et IceCube

KM3NeT situé au fond de la mer Méditerranée et IceCube, situé au pôle Sud, sont des détecteurs de neutrinos, les plus petites particules subatomiques non chargées connues à ce jour. Concernant ces recherches, les deux télescopes travailleront pour confirmer les résultats obtenus par HAWC, dans le cas où l'émission attendue de neutrinos serait observée comme un produit de l'interaction des rayons cosmiques de haute énergie avec la matière et le rayonnement à la source de production.

Le détecteur KM3NeT, auquel l'IFIC participe activement, est actuellement en construction et dispose déjà de plusieurs lignes de détection opérationnelles. KM3NeT devrait être pleinement opérationnel dans les prochaines années.

Francisco Salesa, chercheur distingué du programme GenT du Département de l'innovation, des universités, des sciences et de la société numérique du gouvernement valencien, concentre ses travaux principalement sur l'astronomie multi-messagers, qui vise à étudier les phénomènes astrophysiques observés par différents détecteurs d'astroparticules dans l'espace et/ou coïncidence temporelle. Ainsi, même avec peu de statistiques, on peut affirmer de manière fiable que ces événements se sont produits dans la même source cosmique et extraire des informations importantes sur la nature des accélérateurs les plus énergétiques de l'univers.


Révéler les secrets des particules cosmiques à haute énergie


Conception du télescope à neutrinos P-ONE prévu dans l'océan Pacifique (à gauche). Le télescope aura une structure modulaire et se compose de sept segments de détecteurs identiques (à droite), dont le premier sera installé en 2023/24. CRÉDIT Elisa Resconi / TUM

L'observatoire de neutrinos "IceCube" au plus profond de la glace du pôle Sud a déjà apporté de nouvelles informations spectaculaires sur les incidents cosmiques d'énergies extrêmement élevées.

Afin d'étudier les origines cosmiques des particules élémentaires avec des énergies encore plus élevées, le professeur Elisa Resconi de l'Université technique de Munich (TUM) a lancé une initiative internationale visant à construire un télescope à neutrinos de plusieurs kilomètres cubes dans le nord-est du Pacifique.

Les astronomes observent la lumière qui nous vient d'objets célestes lointains pour explorer l'Univers. Cependant, la lumière ne nous dit pas grand-chose sur les événements les plus énergétiques au-delà de notre Galaxie, tels que les jets de noyaux galactiques actifs, les sursauts gamma ou les supernovae, car les photons dans la gamme supérieure des rayons gamma perdent leurs énergies extrêmes sur leur long chemin. à travers l'Univers par l'interaction avec d'autres particules.

Tout comme la lumière, les neutrinos traversent l'espace à la vitesse de la lumière (presque) mais interagissent extrêmement rarement avec d'autres particules. Ils conservent leur énergie et leur direction, ce qui en fait des messagers uniques de l'univers de la plus haute énergie.

Messager d'événements cosmiques lointains

Depuis 2013, lorsque l'Observatoire des neutrinos IceCube a détecté pour la première fois des neutrinos extragalactiques, les astrophysiciens s'efforcent de comprendre de quelles sources cosmiques ils proviennent et quel mécanisme physique les a accélérés vers des énergies aussi extrêmes.

Cependant, pour résoudre le casse-tête, davantage de détecteurs avec des volumes encore plus importants que celui de l'observatoire IceCube d'un kilomètre cube sont nécessaires. Parce que les neutrinos ne peuvent pas être observés directement, uniquement par rayonnement Cherenkov, les détecteurs doivent être situés dans la glace ou dans l'eau.

Initiative pour un nouveau télescope à neutrinos dans le Pacifique

La professeure Elisa Resconi, porte-parole du Collaborative Research Center 1258 et de la chaire Liesel-Beckmann de physique expérimentale avec des particules cosmiques à TUM, a maintenant lancé une initiative internationale pour un nouveau télescope à neutrinos situé dans l'océan Pacifique au large des côtes du Canada : le Pacifique Expérience sur les neutrinos océaniques (P-ONE).

À cette fin, Resconi s'est associé à une installation de l'Université de Victoria, Ocean Networks Canada (ONC), l'un des observatoires océaniques câblés les plus grands et les plus avancés au monde.

Conditions idéales pour un observatoire de neutrinos

Le nœud du réseau ONC dans le bassin de Cascadia à une profondeur de 2660 mètres a été sélectionné pour P-ONE. La vaste plaine abyssale offre des conditions idéales pour un observatoire de neutrinos couvrant plusieurs kilomètres cubes.

À l'été 2018, l'ONC a ancré une première expérience pathfinder dans le bassin de Cascadia : l'expérience STRAW (Strings for Absorption length in water), deux chaînes de 140 mètres de long équipées d'émetteurs de lumière et de capteurs pour déterminer l'atténuation de la lumière dans l'eau de mer. , un paramètre crucial pour la conception de P-ONE. En septembre 2020, STRAW-b sera installé, un câble en acier de 500 m avec des détecteurs supplémentaires. Les deux expériences ont été développées et construites par le groupe de recherche de Resconi au département de physique de TUM.

Le premier segment de P-ONE, le Pacific Ocean Neutrino Explorer, un anneau avec sept chaînes de 1000 mètres de long avec 20 détecteurs chacune, devrait être installé pendant la saison d'exploitation maritime de l'ONC en 2023/24 en collaboration avec diverses universités canadiennes.

"Les neutrinos astrophysiques ont débloqué un nouveau potentiel pour faire progresser considérablement notre connaissance de l'univers extrême", a déclaré Darren Grant, professeur à la Michigan State University (États-Unis) et porte-parole de la collaboration IceCube. « P-ONE représente une opportunité unique de démontrer le déploiement à grande échelle d'un détecteur de neutrinos dans les profondeurs de l'océan, une étape cruciale pour atteindre l'objectif d'un observatoire de neutrinos connecté à l'échelle mondiale qui fournirait une sensibilité maximale dans le ciel à ces messagers cosmiques idéaux. »

Elisa Resconi prévoit que P-ONE avec ses sept segments sera achevé d'ici la fin de la décennie. "L'expérience sera alors parfaitement équipée pour découvrir la provenance des neutrinos extragalactiques", explique Resconi, "mais de plus, les neutrinos de haute énergie ont également le potentiel de révéler la nature de la matière noire."

Le projet P-ONE comprend l'Université technique de Munich (Allemagne), l'Université de Victoria et Ocean Networks Canada, l'Université de l'Alberta, l'Université Queen's, l'Université Simon Fraser (tout le Canada), l'Université d'État du Michigan (États-Unis), l'Observatoire européen austral, Goethe Université de Francfort, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt et Max Planck Institute for Physics (tout en Allemagne).

Le projet reçoit le soutien d'Ocean Networks Canada, une initiative de l'Université de Victoria financée en partie par la Fondation canadienne pour l'innovation. Ce travail est financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) par le biais de la subvention SFB 1258 "Neutrinos et matière noire en astro- et physique des particules" et du pôle d'excellence "Origine et structure de l'univers".

Une particularité des modules : ils contiennent des œuvres d'art de jeunes artistes internationaux qui créent un lien entre la terre et la mer profonde et transforment ainsi l'expérience des éclaireurs en une exposition sous-marine unique.


Une étude révèle la source de l'une des particules les plus insaisissables de l'univers

Ces particules à haute énergie sont presque impossibles à localiser. Mais pour la deuxième fois de notre histoire, c'est exactement ce que nous avons fait.

Les scientifiques ont, pour la première fois, a rassemblé des preuves d'observation de particules insaisissables à haute énergie provenant de certains des événements les plus violents de l'univers.

Dans une étude publiée lundi dans la revue Astronomie de la nature, les astronomes ont rassemblé les premières preuves traçant de minuscules particules subatomiques appelées neutrinos jusqu'à un trou noir déchirant une étoile.

VOICI LE CONTEXTE — Si vous êtes une étoile errante dans le cosmos, le dernier endroit où vous voulez être est près d'un trou noir.

Lorsqu'une étoile sans prétention s'approche trop près d'un trou noir, la force gravitationnelle de ces énormes bêtes cosmiques déchire l'étoile en lambeaux de gaz dans un processus horrible connu sous le nom de spaghettification (déchiquetage de l'étoile en longs et minces brins de spaghetti).

On pense que ces types d'événements produisent des neutrinos de haute énergie. Les neutrinos sont une particule subatomique neutre avec une masse minuscule proche de zéro - plus petite que la masse de toute autre particule connue, à l'exception des photons. Bien que ces particules soient plus nombreuses que toutes les autres particules dans l'univers, elles interagissent rarement avec d'autres matières, ce qui les rend presque impossibles à détecter.

En 2006 et 2014, une expérience financée par la NASA, l'Antarctique Impulsive Transient Antenna, a détecté des neutrinos à très haute énergie en Antarctique qui semblaient avoir voyagé à travers la Terre. Les rares découvertes ont déclenché des rumeurs plutôt imaginatives, mais erronées, selon lesquelles les scientifiques auraient découvert un univers parallèle à partir duquel ces particules ont émergé.

"L'origine des neutrinos cosmiques de haute énergie est inconnue, principalement parce qu'ils sont notoirement difficiles à cerner", a déclaré Sjoert van Velzen, chercheur postdoctoral au Département de physique de l'Université de New York et l'un des principaux auteurs de la nouvelle étude, a déclaré dans une déclaration. "Ce résultat ne serait que la deuxième fois que des neutrinos de haute énergie sont remontés jusqu'à leur source."

Les neutrinos sont produits par de puissants accélérateurs sur Terre, mais n'ont été détectés qu'une seule fois auparavant en 2018, leur source étant un noyau galactique actif appelé blazar, qui produit un puissant courant-jet qui fait face à notre vue depuis la Terre.

QUOI DE NEUF - À l'aide d'une combinaison de télescopes au sol et spatiaux, une équipe d'astronomes a pu non seulement détecter les neutrinos, mais aussi les retracer jusqu'aux événements de perturbation des marées (TDE).

Les TDE sont ce qui se passe lorsqu'une étoile s'approche trop près d'un trou noir. Dans ces événements, une partie de la masse de l'étoile est capturée dans un disque d'accrétion de débris qui tourbillonne autour du trou noir après avoir été déchiqueté en flux de gaz.

Cet événement particulier a été découvert le 9 avril 2019 par la Zwicky Transient Facility (ZTF), une caméra robotique de l'observatoire Palomar de Caltech en Californie du Sud et baptisée AT2019dsg.

L'événement de déchiquetage d'étoiles s'est produit à plus de 690 millions d'années-lumière dans une galaxie appelée 2MASX J20570298+1412165, située dans la constellation de Delphinus.

Ces types d'événements extrêmes peuvent accélérer les particules à presque la vitesse de la lumière, et ces particules rapides peuvent alors entrer en collision avec d'autres particules ou avec la lumière elle-même pour produire des neutrinos.

"Les astrophysiciens ont longtemps théorisé que les perturbations des marées pourraient produire des neutrinos de haute énergie, mais c'est la première fois que nous sommes en mesure de les relier à des preuves d'observation", Robert Stein, doctorant à la recherche German Electron-Synchrotron (DESY) centre de Zeuthen, en Allemagne, et auteur principal de la nouvelle étude, a déclaré dans un communiqué.

L'étude suggère que les particules accélérées produites par les TDE pourraient générer des neutrinos dans trois régions particulières, le disque externe en entrant en collision avec la lumière ultraviolette, dans le disque interne en entrant en collision avec la lumière des rayons X, et dans le flux de particules éjectées du noir trou en entrant en collision avec d'autres particules.

Pour l'événement AT2019dsg, les chercheurs à l'origine de l'étude pensent que les neutrinos provenaient des particules entrant en collision avec la lumière ultraviolette, car l'énergie des particules était plus de 10 fois supérieure à l'énergie pouvant être obtenue par les collisionneurs de particules sur Terre.

"Les événements de perturbation des marées sont des phénomènes incroyablement rares, ne se produisant qu'une fois tous les 10 000 à 100 000 ans dans une grande galaxie comme la nôtre", a déclaré S. Bradley Cenko, chercheur principal de Swift au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, dans un communiqué. "Les mesures de plusieurs longueurs d'onde de chaque événement nous aident à en savoir plus sur eux en tant que classe, donc AT2019dsg était d'un grand intérêt même sans détection initiale de neutrinos."

Note de l'éditeur 2/23 : Une version précédente indiquait que les neutrinos ont une masse inférieure à celle des photons. Cela a été corrigé. Une légende sur une image utilisée a également été clarifiée pour indiquer qu'il s'agit d'une illustration.


Un accélérateur de particules monumental dans le Cygnus Cocoon

Au cœur du Cygnus, l'une des plus belles constellations du ciel d'été, bat une source de particules de rayons cosmiques de haute énergie : le Cygnus Cocoon. Un groupe international de scientifiques de l'observatoire HAWC a rassemblé des preuves que cette vaste structure astronomique est le plus puissant des accélérateurs de particules naturels de notre galaxie connus à ce jour.

Cette découverte spectaculaire est le fruit du travail des scientifiques de l'observatoire gamma international High-Altitude Water Cherenkov (HAWC). Situé sur les pentes du volcan mexicain Sierra Negra, l'observatoire enregistre des particules de haute énergie et des photons provenant des abysses de l'espace. Dans le ciel de l'hémisphère nord, leur source la plus brillante est la région connue sous le nom de Cygnus Cocoon. Au HAWC, il a été établi que des photons avec des énergies même plusieurs dizaines de fois supérieures à celles enregistrées précédemment par les détecteurs Fermi-LAT et ARGO arrivent du Cocoon. Ce fait suggère que le Cygnus Cocoon est le plus puissant des accélérateurs de particules connus jusqu'à présent dans la Voie lactée. Les résultats de la recherche, dans laquelle les scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie ont joué un rôle important, sont présentés dans la prestigieuse revue Astronomie de la nature.

"La découverte faite grâce à l'observatoire HAWC est un élément important d'un puzzle scientifique qui dure depuis plus d'un siècle et dont le but est de décrypter la nature des rayons cosmiques, notamment lorsqu'il s'agit de particules aux énergies les plus élevées. se produisant dans notre galaxie », explique le Dr Sabrina Casanova (IFJ PAN), initiatrice de la dernière analyse de données de la région de Cygnus Cocoon et son important co-auteur.

Le Cygnus Cocoon, une vaste structure astronomique d'environ 180 années-lumière de diamètre, se trouve à 4,6 mille années-lumière du Soleil. Dans notre ciel, nous pouvons le trouver presque exactement au centre de la constellation du Cygne où il occupe une zone de largeur angulaire similaire aux quatre disques de la Lune. C'est une région de formation intense d'étoiles massives (et par conséquent de courte durée de vie), avec deux jeunes amas d'étoiles Cygnus OB2 et NGC 6910.

"Le détecteur HAWC a une sensibilité et une résolution angulaire plus grandes que les appareils précédents de ce type. Avec son utilisation, pendant 1343 jours d'observation, nous avons enregistré des photons de rayons gamma avec des énergies allant jusqu'à cent téraélectronvolts, provenant de la direction de l'amas Cygnus OB2. Quelle a pu être la source d'un tel rayonnement à haute énergie ?" se demande le docteur Casanova.

Ce qui ressort de la dernière analyse du rayonnement gamma atteignant la Terre depuis le Cygnus Cocoon est une image intéressante de phénomènes de nature complexe et multi-étages. On s'attend généralement à ce que les rayons cosmiques de haute énergie proviennent des restes de supernova, y compris des pulsars. Cependant, dans les restes de supernova, les protons ou les électrons n'ont pas assez de temps pour accélérer jusqu'à une énergie cinétique atteignant plusieurs centaines de téraélectronvolts. Mais alors, à l'intérieur d'un jeune amas d'étoiles massives, les turbulences de puissants vents stellaires interagissant les uns avec les autres contribuent à confiner les particules pendant des millions d'années. Certaines de ces particules ont la chance de gagner des énergies atteignant les pétaélectronvolts.

"La situation est très compliquée", note le Dr Casanova, et précise : "Certaines particules devraient gagner des énergies vraiment énormes à l'intérieur de ces associations d'étoiles massives grâce au long temps de confinement, comparable à la durée de vie d'un million d'années des associations elles-mêmes . Mais plus l'énergie des particules est élevée, plus le temps de confinement est court. Nous nous attendons à ce que les particules les plus énergétiques s'échappent de l'amas avant d'émettre les photons gamma que nous pouvons observer. La question est : où est l'énergie d'accélération maximale ?

La question clé est la nature des particules responsables de l'émission des photons de haute énergie qui ont été enregistrés à l'observatoire HAWC. Si la source des photons était des électrons, leurs énergies devraient être plusieurs fois supérieures à l'énergie des photons. Cependant, si la source était des protons, leurs énergies devraient être aussi élevées qu'un pétaélectronvolt. Cette valeur est cent fois supérieure à l'énergie des collisions de protons à l'intérieur de l'accélérateur LHC.

"Notre analyse ne fournit pas de conclusion claire concernant l'origine des photons avec des énergies atteignant 100 TeV. Elle indique cependant un favori clair - des protons avec des énergies extrêmes, accélérés lors de collisions de vents stellaires puis émettant des photons gamma lors de collisions avec matériau interstellaire », explique le Dr Casanova.

Si de futures observations confirment l'interprétation actuelle, l'amas d'étoiles Cygnus OB2 à l'intérieur du Cygnus Cocoon serait le plus puissant de tous les accélérateurs de notre galaxie identifiés à ce jour.

L'Institut de physique nucléaire Henryk Niewodniczanski (IFJ PAN) est actuellement l'un des plus grands instituts de recherche de l'Académie polonaise des sciences. Un large éventail de recherches menées à l'IFJ PAN couvre des études fondamentales et appliquées, de la physique des particules et de l'astrophysique à la physique des hadrons, la physique nucléaire des hautes, moyennes et basses énergies, la physique de la matière condensée (y compris l'ingénierie des matériaux), à divers applications de la physique nucléaire dans la recherche interdisciplinaire, couvrant la physique médicale, la dosimétrie, la biologie des rayonnements et de l'environnement, la protection de l'environnement et d'autres disciplines connexes. La production annuelle moyenne de publications de la FIJ PAN comprend plus de 600 articles scientifiques dans des revues internationales à fort impact. Chaque année, l'Institut accueille une vingtaine de conférences scientifiques internationales et nationales. L'une des installations les plus importantes de l'Institut est le Cyclotron Centre Bronowice (CCB), qui est une infrastructure unique en Europe centrale, servant de centre clinique et de recherche dans le domaine de la physique médicale et nucléaire. De plus, l'IFJ PAN gère quatre laboratoires de recherche et de mesure accrédités. La FIJ PAN est membre du Consortium de recherche Marian Smoluchowski Krakó: "Matter-Energy-Future", qui dans les années 2012-2017 a joui du statut de Leading National Research Center (KNOW) en physique. En 2017, la Commission européenne a décerné à l'Institut le prix HR Excellence in Research. L'institut détient la catégorie A+ (la catégorie scientifique la plus élevée en Pologne) dans le domaine des sciences et de l'ingénierie.

Dr Sabrina Casanova
Institut de physique nucléaire, Académie polonaise des sciences
tél. : +48 12 6628274
courriel : [email protected]

PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES :

"Observations HAWC de l'accélération des rayons cosmiques de très haute énergie dans le Cygnus Cocoon"
La collaboration HAWC
Astronomie de la nature, 2021
DOI : https://doi. org/ 10. 1038/ s41550-021-01318-y

http://www. sij. édu. PL/
Le site Web de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences.

http://presse. sij. édu. PL/
Communiqués de presse de l'Institut de physique nucléaire, Académie polonaise des sciences.

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La région Cygnus Cocoon avec la source de photons jusqu'à 100 TeV, coïncidant avec le jeune amas d'étoiles massives Cygnus OB2. (Source : FIJ PAN / HAWC)

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Cygnus X, l'une des régions de formation d'étoiles les plus brillantes et les plus proches de la Galaxie (marquée en rouge), est au centre du Cygnus Cocoon, une vaste structure astronomique qui couvre une zone du ciel terrestre d'une largeur angulaire de quatre disques lunaires. (Source : FIJ PAN / Stellarium)

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L'observatoire de rayons gamma High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), situé sur les pentes du volcan mexicain Sierra Negra. (Source : Observatoire HAWC)

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Des astronomes identifient pour la première fois la source de neutrinos à haute énergie

Une grande équipe multinationale d'astronomes a trouvé la première preuve d'une source de particules de neutrinos superénergétiques : un blazar lointain - le noyau d'une galaxie elliptique géante qui projette des particules dans des jets massifs de particules élémentaires - environ 4 milliards années-lumière de la Terre.

Vue d'artiste d'un blazar. Crédit image : DESY / Science Communication Lab.

Les neutrinos sont des particules subatomiques non chargées qui passent normalement par milliers de milliards à travers notre corps et chaque partie de la Terre chaque seconde, mais ils interagissent rarement avec la matière, ce qui les rend difficiles à détecter.

"Les neutrinos à ces très hautes énergies se forment après que les particules de rayons cosmiques aient été accélérées (stimulées à très haute énergie) et interagissent avec d'autres particules", a déclaré le Dr Gary Hill, chercheur à l'Université d'Adélaïde.

"Donc, ce que nous avons trouvé n'est pas seulement la première preuve d'une source de neutrinos, mais aussi la preuve que cette galaxie est un accélérateur de rayons cosmiques."

"Il est intéressant de noter qu'il y avait un consensus général dans la communauté astrophysique sur le fait que les blazars étaient peu susceptibles d'être des sources de rayons cosmiques, et nous y sommes", a déclaré le professeur Francis Halzen de l'Université du Wisconsin-Madison.

« Maintenant, nous avons identifié au moins une source qui produit des rayons cosmiques de haute énergie car elle produit des neutrinos cosmiques. Les neutrinos sont les produits de désintégration des pions. Pour les produire, vous avez besoin d'un accélérateur de protons.

Des chercheurs de l'observatoire de neutrinos IceCube de la NSF à la station Amundsen-Scott au pôle Sud ont annoncé la première preuve solide de neutrinos de haute énergie provenant d'au-delà de notre galaxie de la Voie lactée en 2013.

"Maintenant, nous avons trouvé la première preuve d'un objet source spécifique, un blazar, qui est un type de galaxie à très haute énergie", a déclaré le Dr Hill.

"Ce blazar, désigné TXS 0506+056, est à environ 4 milliards d'années-lumière de la Terre."

Cette image montre le ciel en rayons gamma avec des énergies supérieures à 1 milliard d'électrons-volts dans une vaste région centrée sur TXS 0506+056, située à environ 4 milliards d'années-lumière. L'image montre le nombre de rayons gamma détectés pendant 8 mois avant le début de l'activité de torchage du blazar en avril 2017. Des couleurs plus vives indiquent un plus grand nombre de rayons gamma. Les sources les plus brillantes de la scène se trouvent dans notre propre galaxie : la nébuleuse du Crabe et son pulsar (en haut au centre) et le reste de supernova IC 443, également connu sous le nom de nébuleuse de la méduse (en haut à gauche). Crédit image : Collaboration NASA / DOE / Fermi LAT.

Bien que non visible à l'œil nu, TXS 0506+056 est situé dans le ciel nocturne juste à côté de l'épaule gauche de la constellation d'Orion.

Ce blazar est la source d'un neutrino de haute énergie (IceCube-170922A) détecté le 22 septembre 2017 par l'Observatoire IceCube.

Une caractéristique distinctive des blazars est constituée de jets jumeaux de lumière et de particules élémentaires qui tirent comme des faisceaux laser depuis les pôles sur l'axe de rotation du trou noir.

Équipé d'un système d'alerte presque en temps réel déclenché lorsque des neutrinos des énergies les plus élevées s'écrasent sur un noyau atomique dans ou à proximité du détecteur IceCube, l'observatoire " en moins d'une minute après la détection initiale " a transmis les coordonnées aux télescopes du monde entier pour les observations de suivi.

Une vingtaine d'observatoires spatiaux et terrestres ont répondu à l'alerte d'IceCube.

Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA, le télescope Cherenkov d'imagerie gamma de l'atmosphère (MAGIC) dans les îles Canaries et le système stéréoscopique à haute énergie (HESS) en Namibie ont détecté une éruption de rayons gamma à haute énergie associés à TXS 0506 + 056, un convergence des observations impliquant le blazar comme source la plus probable.

Le 22 septembre 2017, l'observatoire de neutrinos IceCube, représenté sur cette illustration par des chaînes de capteurs sous la glace, a détecté un neutrino de haute énergie qui semblait provenir de l'espace lointain. Le télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA (en haut à gauche) a identifié la source comme un trou noir supermassif dans la galaxie TXS 0506+056. Crédit image : NASA / Fermi / Aurore Simonnet, Sonoma State University.

"Ce résultat annonce une nouvelle ère pour l'astronomie des neutrinos et ouvre les liens tant attendus avec des observations utilisant des photons ou de la lumière, tels que les rayons gamma et les ondes radio", a déclaré le Dr Gavin Rowell, scientifique à l'Université d'Adélaïde et membre de la HESS équipe.

"Nous commençons à faire de l'astronomie en utilisant des moyens autres que la lumière, en combinant des observations électromagnétiques (lumière) avec d'autres mesures dans ce que nous appelons maintenant l'astronomie multimessagers", a déclaré le Dr Marcos Santander, de l'Université de l'Alabama.

"C'est la première preuve que nous avons d'une galaxie active émettant des neutrinos, ce qui signifie que nous pourrions bientôt commencer à observer l'Univers en utilisant des neutrinos pour en savoir plus sur ces objets d'une manière qui serait impossible avec la lumière seule."

"L'ère de l'astrophysique multi-messagers est arrivée", a déclaré le Dr France Córdova, directrice de la National Science Foundation.

"Chaque messager "du rayonnement électromagnétique, des ondes gravitationnelles et maintenant des neutrinos" nous donne une compréhension plus complète de l'Univers et de nouvelles informations importantes sur les objets et les événements les plus puissants du ciel. De telles avancées ne sont possibles que grâce à un engagement à long terme dans la recherche fondamentale et à des investissements dans de superbes installations de recherche. »

Les résultats sont publiés dans deux articles de la revue La science.


Source de particules cosmiques de haute énergie - Astronomie

Une planète trouvée en orbite dangereusement proche de
géant rouge

. une nouvelle planète découverte en orbite autour d'une étoile géante rouge à une distance de seulement 0,6 UA pourrait apporter un nouvel éclairage sur la façon dont les étoiles vieillissantes influencent les planètes voisines avant qu'elles ne soient consommées.

Les observations synchronisées capturent des fusées éclairantes de
Sagittaire A*

. des observations simultanées faites avec les télescopes VLT et APEX ont révélé la nature de quatre éruptions violentes émanant du centre de notre Voie Lactée.

La sélection de sites se rétrécit pour le prochain atterrisseur sur Mars

. four potential landing sites on Mars have been selected as candidates for the touch-down of NASA&rsquos Mars Science Laboratory.

STS-120 day 2 highlights

Flight Day 2 of Discovery's mission focused on heat shield inspections. This movie shows the day's highlights.

STS-120 day 1 highlights

The highlights from shuttle Discovery's launch day are packaged into this movie.

STS-118: Highlights

The STS-118 crew, including Barbara Morgan, narrates its mission highlights film and answers questions in this post-flight presentation.

STS-120: Rollout to pad

Space shuttle Discovery rolls out of the Vehicle Assembly Building and travels to launch pad 39A for its STS-120 mission.

Dawn leaves Earth

NASA's Dawn space probe launches aboard a Delta 2-Heavy rocket from Cape Canaveral to explore two worlds in the asteroid belt.

Dawn: Launch preview

These briefings preview the launch and science objectives of NASA's Dawn asteroid orbiter.


Mysterious source of high energy cosmic rays
BY DR EMILY BALDWIN
ASTRONOMY NOW

The NASA-funded Advanced Thin Ionization Calorimeter (ATIC) balloon instrument has discovered a previously unidentified nearby source of high energy cosmic rays.

The 1,950 kilogram ATIC experiment was designed to be carried to an altitude of about 37,800 metres above Antarctica using a helium-filled balloon. The goal was to study cosmic rays &ndash energetic particles originating from objects in space &ndash that otherwise would be absorbed into the Earth&rsquos atmosphere. Published in this week&rsquos issue of the journal Nature, new results show an unexpected surplus of cosmic ray electrons at very high energy &ndash 300-800 billion electron volts &ndash that must come from a previously unidentified source or from the annihilation of very exotic theoretical particles used to explain dark matter.

"This electron excess cannot be explained by the standard model of cosmic ray origin," says John Wefel, ATIC project principal investigator. "There must be another source relatively near us that is producing these additional particles."

The crew from the Columbia Scientific Balloon Facility prepares to launch the Advanced Thin Ionization Calorimeter (ATIC) experiment from McMurdo Station, Antarctica. Image: NASA.

According to the research, this source would need to be within about 3,000 light years of the Sun. But because of their nature, charged particles are deflected in the galactic magnetic field between wherever they originate and when they are detected at the Earth. "While we do measure the arrival direction, it is not connected to the source location because of bending and scattering in the magnetic field," Wefel tells Astronomy Now.

The source of the cosmic rays could be an exotic object such as a pulsar, mini-quasar, supernova remnant or an intermediate mass black hole. "There are new objects and sources being discovered every day and week," says Wefel. "The ones we know about now do not seem to be able to do the job, but maybe next month one will be found to explain our excess electron data. But since we do not yet see such a source, maybe the alternate explanation &ndash dark matter annihilation &ndash should be considered."

Dark matter is thought to comprise around 23 percent of the Universe&rsquos energy density, while &lsquonormal&rsquo matter comprises just four percent. Dark energy, which is thought to play a dominant role in the expansion of the Universe, makes up 73 percent. The nature of dark matter is not understood, but its presence can be inferred from the gravitational effects it imposes on visible matter, such as distorting galaxy structure and influencing their rotation speeds. Several theories that describe how gravity works at very small, quantum distances predict exotic particles that could be good dark matter candidates.

"The annihilation of these exotic particles with each other would produce normal particles such as electrons, positrons, protons and antiprotons that can be observed by scientists," says Eun-Suk Seo, ATIC lead at the University of Maryland. "These results may be the first indication of a very interesting object near our Solar System waiting to be studied by other instruments," adds Wefel.

The science team are hoping that there will be new and continuing searches to try to locate a nearby source that can explain the data. " But, we also need to study the exact shape of this feature in more detail to see if it really does have the tell-tale shape expected for dark matter annihilation. That is the on-going experimental challenge, " says Wefel.


New detector finds gamma rays from surprising cosmic sources

HAIZI MOUNTAIN, China -- Astrophysicist Cao Zhen opens a steel hatch on a windswept Tibetan Plateau and climbs down a ladder into inky darkness. His flashlight picks out a boat floating on a pool of purified water above thousands of glittering orbs the size of beachballs.

He’s inside a $175 million observatory that isn’t technically complete but has already discovered something tantalizing: bursts of gamma rays from outer space that may someday help explain how matter is created and distributed across the universe.

The Large High Altitude Air Shower Observatory, the biggest device of its kind, has detected a dozen sources of ultra high-energy gamma rays, according to a study in the journal Nature, from what Cao calls “many hot spots,” in our Milky Way galaxy.

Gamma rays with such high energy have never been detected before, and the findings suggest these rays can come not just from dying stars, but are also generated inside massive young stars.

“These results are really stunning — some of the most exciting I have ever seen,” said Alan Watson, an astrophysicist working with the Pierre Auger Observatory in Argentina.

Cao’s team traced 530 high-energy gamma rays to 12 sources including a massive cluster of young stars called the Cygnus Cocoon and the interstellar cloud called the Crab Nebula.

Gamma rays are a type of extreme radiation generated by the hottest and brightest explosions in the universe, like when a large star implodes. Those implosions also create the matter that make up planets — and everything that lives on them, including us. Of all the electromagnetic waves in the universe, gamma rays have the smallest wavelengths and the most energy. They can release more energy in 10 seconds than our sun in 10 billion years.

The pool of purified water at LHAASO that Cao paddled across measures the subatomic shrapnel — the “air shower” in the observatory’s name — created when gamma rays and high energy particles called cosmic rays crash into the Earth’s atmosphere.

The shrapnel includes mysterious particles called muons that can be seen as faint blue flashes known as Cherenkov radiation in the observatory's dark water. The array of 3,120 beachball-sized globes contain tiny sensors that measure the radiation.

“We can trace these gamma rays back to their source in the sky,” said Cao, dressed in blue scrubs to keep the water clean. “We can find something new.”

LHAASO is one of dozens of devices on Earth and in orbit — suspended in ice tunnels in Antarctica or inside toaster-sized satellites — trying to understand how matter such as carbon, oxygen and iron came to be.

Located near the 4,400-meter-tall (14,500-foot-tall) Haizi Mountain, it houses separate instruments that can study different phenomena, including cosmic rays, high energy subatomic particles that scientists believe come from the same sources as gamma rays. Cosmic rays are like sparks from a massive stellar crucible — each contains flecks of material from the forging process. Gamma rays are more like light from a glowing hearth. By studying both, the observatory can learn more about what generated them.

The Chinese observatory offers “unprecedented sensitivity,” said Avi Loeb, a Harvard University astrophysicist, that may, for example, help physicists tell whether if some rays come from inside our galaxy or farther away.

It’s not yet complete, however. Cao said that by the end of June the instruments will be in place, including 5,195 electromagnetic detectors, 1,188 muon detectors, and 18 Cherenkov telescopes each the size of a shipping container that will study air showers in the sky.

“The outcome really justifies the massive effort,” Watson said of the new findings. “This is just the tip of the iceberg.”

Associated Press video producer Olivia Zhang in Haizi Mountain and science writer Seth Borenstein in Washington contributed to this report.


A dozen ultra-high-energy particle accelerators discovered in the Milky Way

New observations help astronomers hone in on a long-standing mystery about where cosmic rays come from.

A century-old celestial mystery is one step closer to being solved as researchers discover a dozen ultra-powerful natural particle accelerators in our galaxy.

The findings help astronomers understand the origin of cosmic rays — charged particles and atomic nuclei flying through space at near light speed that have been imbued with mind-boggling amounts of energy.

Discovered in 1912, cosmic rays arrive from almost every direction in the Milky Way, though scientists have yet to determine exactly how they reach their ultra-fast speeds, according to NASA.

Many researchers suspected that cosmic rays are flung away from massive stars as they die in supernova explosions, Siming Liu, an astrophysicist with the Southwest Jiaotong University in Chengdu, told Live Science. During such events, "stars release the same amount of energy in two months as over their whole life," he added.

But even a powerful blast like this is only capable of imparting less than a peta-electron-volt (PeV), or a quadrillion electron-volts, to cosmic rays, Liu said. Observatories have captured ultra-high-energy cosmic rays with energies that exceed that and, so far, nobody has been able to figure out where in the universe they come from.

Discovering the sources of cosmic rays has been difficult, because as charged entities they are deflected by magnetic fields, which are abundant in the Milky Way, Liu said. That means a cosmic ray captured on Terre won't point directly back to its origin point, he added.

But as they jet away from their sources, cosmic rays can interact with surrounding gases and generate gamma rays with a 10th of the cosmic ray's energy. These rays aren't charged and so travel in straight lines, offering a means of discovering where they came from.

Along with his colleagues, Liu used China's Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), a facility under construction atop Haizi Mountain at the edge of the Tibetan Plateau in Sichuan Province, to indirectly look at gamma ray light. As gamma rays impinge on Earth's atmosphere, they generate a shower of particles that can be captured in LHAASO's thousands of detectors, which will eventually spread over an area of 0.4 square miles (1 square kilometer), according to a press release.

Though the data was taken with only half the array operational, it was able to reveal a dozen sources — dubbed PeVatrons for their ability to imbue subatomic particles with peta-electron-volts&rsquo worth of energy — all over the Milky Way. These entities are at least 100 times more powerful than the largest particle accelerator on Earth, the Large Hadron Collider.

The team also detected the most powerful gamma-ray photon, or light particle ever seen — an object with 1.4 PeV. They reported their findings on May 17 in the journal Nature.

Among the PeVatrons are familiar objects, such as the Crab Nebula, which is known to contain a dead star known as a pulsar that is a potential suspect as the cosmic rays' accelerator. But the list also includes an active star-forming region in the constellation Cygnus, leaving researchers scratching their heads over what is shooting out such powerful particles there.

LHAASO is only capable of pinpointing the PeVatron sources to within a few tens or hundreds of light-years, Liu said, so it's difficult to know exactly what objects in each region are causing the acceleration.

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Nevertheless, "this is a major step," Razmik Mirzoyan, an astroparticle physicist at the Max Planck Institute for Physics in Germany, told Live Science. LHAASO will soon be four times larger than any previous telescope of this type, allowing it to unlock a new era of ultra-high-energy observations, Mirzoyan added.

Mirzoyan is part of a collaboration that is building a similar facility in the Southern Hemisphere to hone in on ultra-high-energy cosmic ray sources. By combining information from this facility with data from telescopes that observe in the electromagnetic spectrum and those looking at neutrinos, it's possible the field will finally know where these mysterious entities originate from within about 10 years, he said.

Liu agreed that future observations with LHASSO and other instruments should one day help pinpoint how cosmic rays reach such prodigious speeds and energies. "We hope we can address this issue," he said. "These observations open the possibility to answer this question."

Originally published on Live Science.

Editor's Note: This story was updated to correct Liu's affiliation he is with the Southwest Jiaotong University in Chengdu, not the Purple Mountain Observatory in Nanjing.


Voir la vidéo: Identifican fuentes de rayos cósmicos de alta energía - Gaceta UNAM (Février 2023).