Les protons des rayons cosmiques révèlent de nouvelles structures spectrales à haute énergie


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  • Découverts en 1912, les rayons cosmiques ont été largement étudiés et notre compréhension actuelle de ceux-ci est compilée dans ce qu’on appelle le modèle standard. Récemment, cette compréhension a été remise en question par la détection de structures spectrales inattendues dans le spectre d’énergie des protons des rayons cosmiques. Maintenant, les scientifiques vont plus loin avec des mesures statistiques élevées et à faible incertitude de ces protons sur une plage d’énergie plus large à l’aide du télescope électronique calorimétrique, confirmant la présence de telles structures.

    Les rayons cosmiques constituent des protons de haute énergie et des noyaux atomiques qui proviennent des étoiles (à la fois dans notre galaxie et d’autres galaxies) et sont accélérés par des supernovae et d’autres objets astrophysiques de haute énergie. Notre compréhension actuelle du spectre d’énergie des rayons cosmiques galactiques suggère qu’il suit une dépendance de la loi de puissance, en ce que l’indice spectral des protons détectés dans une certaine plage d’énergie diminue selon la loi de puissance à mesure que l’énergie augmente. Mais des observations récentes faites à l’aide de spectromètres magnétiques pour les basses énergies et de calorimètres pour les hautes énergies ont laissé entrevoir une déviation de cette variation de loi de puissance, l’indice spectral des protons devenant plus grand autour d’une énergie de quelques centaines de GeV à des énergies allant jusqu’à 10 TeV. . Suite à ce « durcissement spectral », caractérisé par une valeur absolue plus faible de l’indice spectral, un « adoucissement spectral » a été détecté au-dessus de 10 TeV à l’aide du CALorimetric Electron Telescope (CALET), un télescope spatial installé à la Station Spatiale Internationale. Cependant, de meilleures mesures avec des statistiques élevées et une faible incertitude doivent être effectuées sur un large spectre d’énergie pour la confirmation de ces structures spectrales.

    C’est exactement ce qu’une équipe de chercheurs internationaux dirigée par le professeur associé Kazuyoshi Kobayashi de l’Université Waseda au Japon a entrepris de faire. « Avec les données collectées par CALET sur environ 6,2 ans, nous avons mis en avant une structure spectrale détaillée des protons des rayons cosmiques. La nouveauté de nos données réside dans la mesure à haute statistique sur une gamme d’énergie plus large de 50 GeV à 60 TeV,  » précise Kobayashi. Les résultats de leur étude, qui comprenait des contributions du professeur émérite Shoji Torii de l’Université Waseda (PI, ou chercheur principal, du projet CALET) et du professeur Pier Simone Marrocchesi de l’Université de Sienne en Italie, ont été publiés dans la revue Physical Review Letters le 1 Septembre 2022.

    Les nouvelles observations ont confirmé la présence d’un durcissement et d’un adoucissement spectraux en dessous et au-dessus de 10 TeV, ce qui suggère que le spectre d’énergie des protons n’est pas cohérent avec une seule variation de la loi de puissance pour toute la gamme. De plus, l’adoucissement spectral commençant à environ 10 TeV est cohérent avec une mesure précédente rapportée par le télescope spatial Dark Matter Particle Explorer (DAMPE). Chose intéressante, la transition par adoucissement spectral s’est avérée plus nette que celle par durcissement spectral.

    Les variations et l’incertitude des nouvelles données CALET ont été contrôlées à l’aide de simulations de Monte Carlo. Les statistiques ont été améliorées d’un facteur d’environ 2,2 et la caractéristique de durcissement spectral a été confirmée avec une signification plus élevée de plus de 20 sigmas.

    Parlant de l’importance de cette recherche, Kobayashi remarque : « Ce résultat contribuera de manière significative à notre compréhension de l’accélération des rayons cosmiques par les supernovae et du mécanisme de propagation des rayons cosmiques. La prochaine étape serait d’étendre notre mesure du spectre des protons à des niveaux encore plus élevés. énergies avec des incertitudes systématiques réduites. Cela devrait s’accompagner d’un changement dans la compréhension théorique pour tenir compte des nouvelles observations. »

    Finalement, il ne s’agit pas seulement de rayons cosmiques. Au contraire, l’étude continue à montrer à quel point nous ne comprenons toujours pas notre Univers et qu’il vaut la peine d’y réfléchir.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université Waseda. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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