Depuis plus de 60 ans, les scientifiques se heurtent à un mystère aussi fascinant qu’insaisissable : l’origine des rayons cosmiques de très haute énergie, ou UHECR (Ultra High Energy Cosmic Rays). Ces particules venues des confins de l’Univers possèdent des niveaux d’énergie bien au-delà de ce que nos accélérateurs de particules les plus puissants peuvent produire. Aujourd’hui, une avancée majeure pourrait enfin apporter des réponses. La physicienne Glennys Farrar, de l’Université de New York, propose une théorie inédite qui éclaire non seulement l’origine de ces particules extrêmes, mais ouvre aussi une nouvelle fenêtre sur les événements les plus violents de l’Univers.
Des particules venues d’ailleurs
Les rayons cosmiques sont des particules subatomiques (comme des protons ou des noyaux d’atomes) qui voyagent à des vitesses proches de celle de la lumière. Parmi eux, les UHECR sont les plus énergétiques jamais observés, atteignant des énergies des millions de fois supérieures à celles produites par les accélérateurs de particules comme le LHC (Grand collisionneur de hadrons) au CERN. Néanmoins, malgré leur puissance phénoménale, leur origine reste l’un des grands mystères de l’astrophysique.
Les scientifiques savent que ces particules proviennent de phénomènes cosmiques extrêmement violents, mais les observations ne permettaient jusqu’à présent pas d’identifier avec certitude la source exacte de ces rayons cosmiques d’une telle énergie. C’est ici qu’intervient la nouvelle théorie de Glennys Farrar.
Des fusions extrêmes
Dans une étude publiée dans la prestigieuse revue Physical Review Letters, Glennys Farrar propose que les UHECR soient produits lors de la fusion de deux étoiles à neutrons, un événement cataclysmique qui donne naissance à un trou noir. Lors de cette fusion, avant même la formation définitive du trou noir, les flux magnétiques turbulents générés par les restes de la fusion agiraient comme d’immenses accélérateurs de particules.
Ce processus génère également des ondes gravitationnelles, ces vibrations de l’espace-temps prédites par la théorie de la relativité générale d’Einstein et détectées pour la première fois en 2015 par les collaborations LIGO et Virgo. La simultanéité de ces ondes gravitationnelles et de l’émission d’UHECR ouvre la possibilité d’observations croisées, ce qui permet de mieux comprendre ces phénomènes extrêmes.
Une explication prometteuse
La capacité de la théorie de Farrar à expliquer deux caractéristiques mystérieuses des UHECR est particulièrement convaincante :
- La corrélation étroite entre l’énergie d’un UHECR et sa charge électrique. Les particules plus chargées interagissent différemment avec les champs magnétiques cosmiques et cette relation observée suggère un processus d’accélération précis, compatible avec les flux magnétiques turbulents décrits dans la théorie.
- L’énergie extraordinaire de certains événements UHECR, bien au-delà de ce que d’autres modèles pourraient expliquer. Avec ses conditions extrêmes, la fusion d’étoiles à neutrons fournirait un environnement capable de générer ces niveaux d’énergie.
Vers une validation expérimentale
La force de cette nouvelle théorie réside non seulement dans son originalité, mais aussi dans sa capacité à être testée de manière concrète. Glennys Farrar propose deux pistes d’observation précises pour valider son hypothèse sur l’origine des rayons cosmiques de très haute énergie (UHECR). La première piste repose sur la recherche d’éléments rares issus du processus r, un mécanisme de création d’éléments lourds lors d’événements astrophysiques extrêmes, comme la fusion d’étoiles à neutrons. Parmi ces éléments, on trouve le xénon ou le tellure. La détection de ces éléments rares parmi les particules des UHECR renforcerait considérablement le lien entre ces rayons cosmiques ultra-énergétiques et les fusions d’étoiles à neutrons. Ce serait un indice fort que ces événements cataclysmiques sont bien les accélérateurs naturels responsables des particules les plus énergétiques de l’Univers.
La deuxième piste est encore plus spectaculaire : elle repose sur l’observation conjointe de deux phénomènes distincts, mais étroitement liés. Il y a d’un côté, les neutrinos de très haute énergie, des particules quasi indétectables, mais cruciales pour comprendre les processus violents de l’Univers, et de l’autre, les ondes gravitationnelles. Selon la théorie de Farrar, les deux signaux seraient produits simultanément lors de la fusion de deux étoiles à neutrons. L’observation conjointe de ces deux phénomènes dans un même événement astronomique fournirait une preuve directe et irréfutable du mécanisme proposé.
Ces deux approches ouvrent la voie à des expériences futures passionnantes, avec l’espoir de percer enfin le mystère des particules les plus énergétiques de l’Univers.
