L'origine énigmatique des rayons cosmiques les plus énergétiques ⚡
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Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (UHECR) surpassent en puissance tout ce que l'homme peut produire en laboratoire. Leur découverte remonte à plus de 60 ans, mais leur provenance exacte reste un mystère. Glennys Farrar, physicienne à New York University, propose une explication inédite liée aux fusions d'étoiles à neutrons.
Selon la théorie de Farrar, ces particules seraient accélérées dans les flux magnétiques turbulents issus de la fusion d'étoiles à neutrons. Ce processus, qui précède la formation d'un trou noir, génère également des ondes gravitationnelles. Ces dernières ont déjà été détectées par les collaborations LIGO-Virgo, offrant une piste de validation.
La théorie explique deux caractéristiques énigmatiques des UHECR: leur énergie extrême et la corrélation entre cette énergie et leur charge électrique. Elle suggère que les particules les plus énergétiques proviennent d'éléments rares, comme le xénon ou le tellure, formés lors de ces fusions.
Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche cosmique. Elle relie des phénomènes astrophysiques majeurs, comme les sursauts gamma courts, à la production d'éléments rares. Les futures observations pourraient confirmer ce modèle, en recherchant des neutrinos de très haute énergie associés aux ondes gravitationnelles.
L'étude, publiée dans Physical Review Letters, repose sur des simulations informatiques avancées. Elle montre comment les champs magnétiques, amplifiés lors de la fusion, peuvent structurer des jets capables d'accélérer les UHECR. Ces travaux s'appuient sur des données recueillies par divers observatoires à travers le monde.
Ces images montrent la fusion de deux étoiles à neutrons simulée avec un nouveau modèle sur superordinateur. Les couleurs rouges indiquent les zones de plus faible densité. Les rubans et lignes vertes et blanches représentent les champs magnétiques. Les étoiles perdent rapidement de l'énergie par ondes gravitationnelles et fusionnent en moins de 8 millisecondes. Le champ magnétique est alors amplifié et désorganisé. Un trou noir se forme, et le champ magnétique devient plus structuré, pouvant soutenir les jets responsables des sursauts gamma courts.
Crédit: NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla.
Farrar souligne l'importance de cette découverte pour comprendre l'univers. Elle offre un cadre théorique testable, qui pourrait unifier plusieurs domaines de l'astrophysique. Les prochaines années seront cruciales pour valider ou infirmer cette hypothèse, avec l'amélioration des détecteurs d'ondes gravitationnelles et de rayons cosmiques.
Comment les fusions d'étoiles à neutrons produisent-elles des éléments rares ?
Les fusions d'étoiles à neutrons sont des usines cosmiques produisant des éléments rares et lourds comme l'or ou le platine. Ce processus, appelé capture rapide de neutrons (r-process), se déroule dans des conditions extrêmes de densité et de température.
Pendant la fusion, des neutrons sont libérés en grande quantité et capturés par des noyaux atomiques. Cela conduit à la formation d'isotopes instables qui se désintègrent ensuite en éléments stables. Ces réactions nucléaires sont si rapides qu'elles ne peuvent se produire dans les étoiles ordinaires.
Les éléments ainsi créés sont ensuite dispersés dans l'espace par les ondes de choc de la fusion. Ils enrichissent le milieu interstellaire, contribuant à la composition chimique des futures générations d'étoiles et de planètes. Ce mécanisme explique pourquoi ces éléments sont relativement rares dans l'univers.
Quel est le rôle des champs magnétiques dans les fusions d'étoiles à neutrons ?
Les champs magnétiques jouent un rôle clé dans les fusions d'étoiles à neutrons. Initialement, chaque étoile possède son propre champ magnétique, souvent très intense. Lors de la fusion, ces champs s'entremêlent et s'amplifient sous l'effet de la turbulence.
Cette amplification peut atteindre des niveaux extrêmes, créant des structures magnétiques complexes. Ces structures sont capables d'accélérer des particules à des énergies phénoménales, comme les UHECR. Elles peuvent également canaliser une partie de l'énergie de la fusion sous forme de jets, responsables des sursauts gamma courts.
Après la formation du trou noir, le champ magnétique se réorganise autour de celui-ci. Les simulations numériques récentes permettent de mieux comprendre ces processus dynamiques et leurs signatures observables.