Une étude révèle les preuves les plus solides à ce jour de l’existence de sources locales d’électrons de rayons cosmiques

Une nouvelle étude utilisant les données de l’instrument CALorimetric Electron Telescope (CALET) de la Station spatiale internationale a mis en évidence la présence de jeunes sources d’électrons de rayons cosmiques à proximité, contribuant ainsi à une meilleure compréhension du fonctionnement de la galaxie dans son ensemble.

L’étude est publiée dans la revue Lettres d’examen physique.

L’étude comprenait plus de 7 millions de points de données représentant les particules arrivant au détecteur de CALET depuis 2015, et la capacité de CALET à détecter les électrons aux énergies les plus élevées est unique. En conséquence, les données incluent plus d’électrons à hautes énergies que n’importe quel travail précédent. Cela rend l’analyse statistique des données plus robuste et conforte la conclusion selon laquelle il existe une ou plusieurs sources locales d’électrons de rayons cosmiques.

“C’est l’une des principales choses que CALET est censé rechercher”, déclare Nicholas Cannady, chercheur adjoint au Centre des sciences et technologies spatiales de l’UMBC, en partenariat avec le Goddard Space Flight Center de la NASA, et responsable de l’étude. Avec cet article, ajoute-t-il, “Nous avons vraiment pu pénétrer dans un domaine où nous avons peu d’événements et commencer à rechercher des choses aux énergies les plus élevées, ce qui est passionnant.”

Une meilleure compréhension de la galaxie

La théorie actuelle postule que les conséquences des supernovae (étoiles explosives), appelées restes de supernova, produisent ces électrons de haute énergie, qui constituent un type spécifique de rayon cosmique. Les électrons perdent de l’énergie très rapidement après avoir quitté leur source, de sorte que les rares électrons arrivant à CALET avec une énergie élevée proviendraient de restes de supernova relativement proches (à l’échelle cosmique), explique Cannady.

Les résultats de l’étude sont “un indicateur fort que le paradigme dont nous disposons pour comprendre ces électrons de haute énergie – qu’ils proviennent de restes de supernova et qu’ils sont accélérés comme nous le pensons – est correct”, a déclaré Cannady. Les résultats « donnent un aperçu de ce qui se passe dans ces restes de supernova et offrent un moyen de mieux comprendre la galaxie et ses sources ».

CALET est un projet collaboratif construit et exploité par des groupes au Japon, en Italie et aux États-Unis, dirigé par Shoji Torii. Les principaux contributeurs à ce travail au Japon sont Torii, Yosui Akaike et Holger Motz de l’Université Waseda de Tokyo, et l’Université d’État de Louisiane est la principale institution aux États-Unis.

De nouvelles données mènent à de nouvelles sources de rayons cosmiques

Des travaux antérieurs ont montré que le nombre d’électrons arrivant à CALET diminuait régulièrement à mesure que l’énergie augmentait jusqu’à environ 1 téravolt (TeV), soit 1 billion d’électrons-volts. Le nombre d’électrons arrivant avec une énergie encore plus grande était extrêmement faible. Mais dans cette étude, CALET n’a pas constaté la baisse attendue. Au lieu de cela, les résultats suggèrent que le nombre de particules se stabilise, puis augmente même, aux énergies les plus élevées, jusqu’à 10 TeV dans quelques cas.

Les expériences précédentes ne pouvaient mesurer que des particules jusqu’à environ 4 TeV, de sorte que les événements candidats aux énergies les plus élevées supérieures à celles de cette étude constituent une nouvelle source d’informations cruciale sur les sources potentielles d’électrons de rayons cosmiques à proximité. Cannady a dirigé l’effort d’analyse individuelle de chacun de ces événements pour confirmer qu’ils représentent un signal réel, et une analyse plus approfondie de ces événements est à venir.

Relever les défis

Il est difficile de faire la distinction entre les électrons et les protons à haute énergie, et il y a beaucoup plus de protons qui arrivent que d’électrons, ce qui complique une analyse précise. Pour distinguer les particules, un programme développé par les chercheurs analyse comment les particules se décomposent lorsqu’elles heurtent le détecteur.

Les protons et les électrons se décomposent différemment, donc comparer la cascade de particules qu’ils créent au cours de ce processus peut filtrer les protons. Cependant, aux énergies les plus élevées, les différences entre les protons et les électrons diminuent, ce qui rend plus difficile la suppression précise des seuls protons des données.

Pour résoudre ce problème, Cannady a dirigé les efforts de l’équipe CALET visant à simuler les schémas de dégradation des protons et des électrons provenant de la direction exacte d’où arrivaient chacun des événements à haute énergie. Cela a accru la capacité de l’équipe à déterminer avec autant de précision que possible si les événements sont des électrons ou des protons.

Sur la base de ces travaux, “nous pensons évaluer de manière réaliste la probabilité que les événements soient des protons”, déclare Cannady. Il reste suffisamment d’électrons présumés dans l’ensemble de données après cette analyse minutieuse pour conclure qu’il existe un signal réel.

Repousser les limites

T. Gregory Guzik, professeur de physique à LSU et responsable de la collaboration américaine CALET, est ravi qu’une analyse plus approfondie des données suggère que les électrons provenant des trois meilleurs candidats pour les restes de supernova à proximité peuvent expliquer les arrivées de haute énergie.

“Ces observations CALET ouvrent la possibilité alléchante que la matière provenant d’un reste particulier de supernova proche puisse être mesurée sur Terre”, partage Guzik. “La poursuite des mesures CALET tout au long de la vie de la Station spatiale internationale contribuera à apporter un nouvel éclairage sur l’origine et le transport de la matière relativiste dans notre galaxie.”

Pour Cannady, “La partie la plus excitante est de voir les choses aux énergies les plus élevées. Nous avons des candidats au-dessus de 10 TeV – et s’il s’avère qu’il s’agit de véritables événements électroniques, c’est vraiment une preuve irréfutable d’une source proche.” ” il dit. “C’est essentiellement ce pour quoi CALET a été créé, donc c’est excitant de travailler là-dessus et d’obtenir enfin des résultats qui repoussent les limites de ce que nous avons vu auparavant.”