Contribution de sources individuelles

Une autre r´egion du spectre des rayons cosmiques o`u l’on peut en principe s’attendre

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a trouver des structures int´eressantes se situe autour de 10¹³–10¹⁴eV. C’est l`a, en effet, que des sources potentiellement importantes de particules ´energ´etiques sont susceptibles d’atteindre leur limite. Nous pensons naturellement aux restes de supernova, dont nous avons d´ej`a indiqu´e qu’ils sont tenus par la plupart des sp´ecialistes – et par voie de cons´equence par la quasi totalit´e des non sp´ecialistes – commelessources par excellence du rayonnement cosmique. Il ne laisse pas de nous surprendre, cependant, que les diffi-cult´es notoires de cette hypoth`ese (cf. chapitre 5) ne soient pas davantage comment´ees chaque fois qu’il est fait allusion `a cette possible origine des rayons cosmiques. Or il se trouve que chacun sait, depuis maintenant plus de vingt ans, que l’´energie maximale que peuvent atteindre des protons acc´el´er´es dans un reste de supernova dans le mod`ele

«de base» (c’est-`a-dire sans les options ;-)) est de l’ordre de 10¹³–10¹⁴ eV (Lagage &

Cesarsky, 1983). Cela tient `a deux exigences tr`es simples. La premi`ere veut que pour ˆetre acc´el´er´ee en un site astrophysique quelconque, une particule doit s’y trouver ! Or une particule d’´energie 10<sup>15</sup>eV a, dans un champ de 1µG, un rayon de giration (ou rayon de Larmor) d’environ 1 pc, et tend donc `a s’´echapper tr`es rapidement d’un environnement ayant des dimensions de l’ordre du parsec – `a moins que ceux-ci ne soient tr`es fortement magn´etis´es, bien au-del`a des quelquesµG rencontr´es habituellement dans le milieu inter-stellaire. L’autre exigence incontournable pour l’acc´el´eration d’une particule est que le temps n´ecessaire `a l’acc´el´eration n’exc`ede pas la dur´ee de vie de la structure qui acc´el`ere.

Quand bien mˆeme un reste de supernova serait en mesure de confiner des particules de 10¹⁷eV, si le processus d’acc´el´eration `a de telles ´energies n´ecessitait de l’ordre de 10<sup>6</sup>ans, il est exclu que nos sources explosives puissent les produire, puisqu’elles ne survivent ja-mais aussi longtemps. C’est une ´etude plus d´etaill´ee de la mani`ere dont ces contraintes s’appliquent au cas de l’acc´el´eration par onde de choc dans un reste de supernova que Lagage et Cesarsky ont ´etabli la limite naturelle, mentionn´ee ci-dessus, que l’on peut attendre pour l’´energie des protons dans ce type de sources.⁴

D`es lors, si l’on veut bien consid´erer momentan´ement que l’essentiel des rayons cos-miques pourrait provenir d’un autre type de sources, on est fond´e `a s’interroger sur

4De fait, les observations semblent fort bien confirmer ces pr´edictions : cf. chapitre 5 et nos travaux sp´ecifiques dans le cas des SNRs jeunes o`u le champ magn´etique est fortement amplifi´e, chapitre 6.

14 CHAPITRE 1. AUTO-PR ´ESENTATION DU RAYONNEMENT COSMIQUE la possibilit´e d’apercevoir, dans le spectre global rassemblant toutes les composantes qui contribuent de fait au rayonnement cosmique, des structures qui pourraient corres-pondre, dans la gamme d’´energie mentionn´ee, `a l’arrˆet pr´ematur´e des sources li´ees aux supernovæ. Car levons tout de suite un malentendu : la critique na¨ıve qui est faite `a ceux qui s’interrogent sur la validit´e de ce qu’on pourrait appeler«l’hypoth`ese SNR» pour l’origine des rayons cosmiques, est que la remettre en cause reviendrait `a nier tout le travail accompli depuis plus d’un quart de si`ecle sur l’acc´el´eration par onde de choc, ainsi que tout lecorpus observationnel li´e `a l’´etude multi-longueur d’onde des restes de supernova, fleurons de l’astronomie non-thermique. Or il n’en est rien, bien ´evidemment.

Il n’est pas question de contester la r´ealit´e du m´ecanisme d’acc´el´eration par onde choc.

Nous en avons toutes les preuves indirectes par l’´emission des SNRs (du moins pour les ´electrons), et mieux encore des preuves directes par la mesure de l’accroissement subit du taux de comptage de particules ´energ´etiques par nos sondes interplan´etaires, lors du passage des ondes de choc ´ebranlant le vent solaire, ou stationnant `a l’avant de la magn´etosph`ere terrestre. Mais il ne suffit pas d’acc´el´erer des particules pour ˆetre ipso facto «la» source principale du rayonnement cosmique. Les flares solaires sont bien connus pour injecter des particules ´energ´etiques dans le milieu interstellaire, mais le bilan ´energ´etique `a l’´echelle galactique est bien trop faible, en regard de la puissance du rayonnement cosmique, pour que cette source soit consid´er´ee comme apportant une contribution notable.<sup>5</sup> La question qui m´erite d’ˆetre soulev´ee est donc la suivante : les particules effectivement acc´el´er´ees dans les restes de supernova isol´es (ceux ´etudi´es par l’astronomie multi-longueur d’onde) sont-elles pr´ecis´ement celles qui sont d´etect´ees sur Terre sous les esp`eces du rayonnement cosmique, ou bien existe-t-il une autre composante qui l’emporterait dans le bilan galactique ?

Nous reviendrons sur cette question d´eterminante tout au long de la partie II, mais il convient de remarquer, avec les promoteurs de«l’hypoth`ese SNR», que la puissance n´ecessaire `a alimenter les rayons cosmiques est justement en ad´equation avec la puis-sance des supernovæ dans la Galaxie. Cette affirmation m´eriterait en r´ealit´e un r´eexamen approfondi, auquel nous nous proposons de contribuer ailleurs (voir toutefois le§2.1.4), mais si on en accepte la validit´e globale, on peut alors s’attendre `a ce que les SNRs, sans ˆetre n´ecessairement dominants parmi les sources de rayons cosmiques, y tiennent n´eanmoins une place privil´egi´ee et participent sensiblement aux flux mesur´es `a relati-vement basse ´energie. C’est la raison pour laquelle le domaine d’´energie correspondant

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a l’´energie maximale atteinte par les protons dans les restes de supernova paraˆıt tout d´esign´e pour la recherche de structures spectrales sp´ecifiques. Or il semble qu’il n’y ait rien de particulier `a signaler dans le spectre autour de 10<sup>13</sup>–10<sup>14</sup>eV.<sup>6</sup>Faut-il en d´eduire que les SNRs contribuent d´ecid´ement peu au flux g´en´eral des rayons cosmiques ? Ou bien que l’estimation de l’´energie maximale atteinte dans les SNRs soit erron´ee ? Sans trancher d´efinitivement la question, nous remarquerons toutefois que de nombreux tra-vaux r´ecents ont ´et´e consacr´es `a la r´e´evaluation de cette ´energie maximale, en faisant valoir que les processus magn´etohydrodynamiques `a l’œuvre au voisinage des chocs de supernova, influenc´es notamment par la pr´esence ´energ´etiquement significative des

par-5Notons toutefois que l’id´ee selon laquelle les particules acc´el´er´ees dans les flares stellaires fourniraient la mati`ere premi`ereinject´eeensuite dans un m´ecanisme plus ´energ´etique – et pourquoi dans les chocs de supernova – est toujours d´ebattue

6Il n’est pas inutile d’indiquer ici que la plupart des exp´eriences – cela me fˆut confirm´e par de nombreux experts – cherchent essentiellement, par tradition, `a mesurer l’indice logarithmique du spectre des rayons cosmiques dans la r´egion qui leur incombe. Cela revient `asupposerque le spectre est une loi de puissance sans structures, et il demeure donc possible que des structures significatives soient pass´ees inaper¸cues, par manque de motivation `a en rechercher la pr´esence, ou qu’elles aient ´et´e mises, lorsqu’elles ont ´et´e vues, sur le compte de fluctuations statistiques ou d’impr´ecisions exp´erimentales.

1.3. PHYSIQUE ET ASTROPHYSIQUE `A TOUS LES ´ETAGES 15 ticules acc´el´er´ees, ´etaient susceptibles de produire des champs magn´etiques turbulents bien plus ´elev´es que dans le milieu interstellaire ambiant. Or des champs magn´etiques plus ´elev´es impliquent des rayons de Larmor plus petits pour des particules d’´energie donn´ee, et par voie de cons´equence des capacit´es de confinement accrues pour les restes de supernova, de mˆeme que des ´echelles de temps d’acc´el´eration plus courtes. Il est clair, d`es lors, que l’amplification des champs magn´etiques au voisinage des chocs de supernova aurait la cons´equence imm´ediate d’´elever l’´energie maximale atteinte par les particules acc´el´er´ees, peut-ˆetre jusqu’au niveau du genou, et peut-ˆetre mˆeme au-del`a comme on se prend parfois `a l’esp´erer. Une telle ´eventualit´e rendrait en effet caduque l’une des objections majeures `a l’hypoth`ese SNR, et la conforterait mˆeme sensiblement.

Nous verrons cependant au chapitre 6 que nos travaux confirment la r´ealit´e d’une telle amplification du champ magn´etique, jusqu’`a plusieurs centaines de microgauss, mais qu’il reste impossible aux protons d’atteindre des ´energies bien au-del`a du PeV (10¹⁵eV).

Nous l’avons d´ej`a not´e, atteindre le genou n’est malheureusement pas d’une grande utilit´e pour la compr´ehension du spectre des rayons cosmiques, puisque le raccord `a une autre composante permettant d’atteindre la cheville s’av´ererait encore particuli`erement d´elicat.

Mais en rapprochant ces r´esultats des r´eflexions d´evelopp´ees ci-dessus, on entrevoit la possibilit´e que les structures correspondant `a l’arrˆet du m´ecanisme d’acc´el´eration au sein des SNRs ne se laissent pas observer vers 10<sup>13</sup>–10<sup>14</sup>eV, comme initialement attendu, mais vers le PeV (ouZ fois plus haut pour les noyaux plus lourds que l’hydrog`ene). Voil`a qui donnerait un cr´edit suppl´ementaire `a l’hypoth`ese mentionn´ee au paragraphe 1.2, selon laquelle le genou serait justement la manifestation, dans un spectre global sans structure particuli`ere `a cet endroit, d’un reste de supernova unique, proche et r´ecent, apportant l`a sa contribution sp´ecifique.

Pour clore cette discussion, signalons encore que dans le cas mˆeme o`u les sources indi-viduelles auxquelles nous sommes ici attentifs seraient masqu´ees, dans leur contribution au rayonnement cosmique, par d’autres sources plus puissantes constituant l’essentiel du flux d´etect´e, il serait encore possible, en principe, de rep´erer leur influence par des structures fines dans la distribution angulaire des particules, en association avec des structures dans le spectre d’´energie qui passeraient autrement pour des fluctuations sans signification particuli`ere. L’´etude conjointe des spectres angulaire et ´energ´etique semble donc souhaitable, en association ´egalement avec la composition nucl´eaire, comme il est d´ej`a pratiqu´e pour l’´etude du genou, mˆeme si les coefficients de diffusion sont encore trop faibles dans ce domaine d’´energie pour que l’on puisse attendre des anisotropies sup´erieures `a ∼10⁻⁴, difficilement mesurables par les moyens observationnels actuels.

1.3.4 Le genou

A des ´` energies plus ´elev´ees vient la domaine du genou, dont nous avons d´ej`a abon-damment parl´e, et qui fait l’objet de multiples ´etudes observationnelles et th´eoriques.

Nous rappelons simplement ici que non seulement son origine demeure myst´erieuse, mais sa structure exacte, l’abondance relative des diff´erents noyaux qui s’y manifestent et mˆeme l’´echelle d’´energie qui lui correspond n’ont pas encore ´et´e ´etablies fermement par l’exp´erience. C’est `a n’en pas douter l’une des questions majeures de la physique du rayonnement cosmique, dont la r´esolution devrait nous ´eclairer sur divers points tr`es importants de sa ph´enom´enologie.⁷

7Il y aurait d’ailleurs lieu de regretter l’absence de participation fran¸caise `a des exp´eriences aussi importantes que KASCADE, en Allemagne, si l’on n’avait d´ej`a pris acte de ce que, l’Europe ´etant appel´ee `a une unification croissante, en particulier au niveau scientifique, il ne fait apr`es tout que peu de diff´erence que tel domaine de la physique soit enrichi par les efforts des uns plutˆot que des autres.

16 CHAPITRE 1. AUTO-PR ´ESENTATION DU RAYONNEMENT COSMIQUE Nous avons indiqu´e plus haut quelles interpr´etations pouvaient ˆetre propos´ees pour ce fameux genou, en tentant de d´egager le sens qu’elles pourraient avoir pour la probl´ematique g´en´erale du rayonnement cosmique. Certaines se situent clairement du cˆot´e de la physique, et revˆetent un caract`ere tr`es fondamental (nouvelle physique au TeV...) ; d’autres rel`event de l’astrophysique et pourraient n’ˆetre que contingentes (source individuelle locale...). Les interpr´etations en termes de changement de r´egime d’acc´el´eration ou de propagation ne semblent gu`ere favoris´ees par les donn´ees actuelles, pour la raison qu’elles conduiraient plutˆot `a des infl´echissements progressifs de la pente du spectre, s’´etalant sur un domaine d’´energie plus large, mais de tels arguments pour-raient ˆetre remis en cause si la r´evision n´ecessaire des mod`eles hadroniques influen¸cant le d´epouillement des donn´ees observationnelles s’accompagnait d’une r´evision partielle de ces donn´ees, ou si des arguments nouveaux permettaient de comprendre l’apparition d’une ´echelle de longueur ou d’´energie pr´ecise en astrophysique.

Ajoutons enfin qu’une question d´eterminante concerne la position du genou sp´ecifique que devrait manifester le spectre des noyaux ´energ´etiques individuels. L’´energie corres-pondante est-elle proportionnelle `a la charge,Z, ou `a la masse,A, du noyau ? Nous ne le savons pas `a ce jour, mais une telle information – qui semble `a la port´ee des observations en cours ou `a venir – serait cruciale pour la d´etermination de la nature du genou et/ou du m´ecanisme d’acc´el´eration des particules dominant. En effet, si l’origine du genou est astrophysique, on s’attend `a une d´ependance enZ puisque les champs magn´etiques, par essence, traitent de la mˆeme fa¸con les particules ayant le mˆeme rayon de Larmor et donc le mˆeme rapportE/Z. Qu’il soit li´e au processus d’acc´el´eration ou `a un changement de r´egime dans la propagation, pour autant que ceux-ci s’appuient essentiellement sur des processus ´electromagn´etiques, on devrait voir le spectre de chaque ´el´ement marquer exac-tement la mˆeme inflexion `a des ´energiesE_knee(^A_ZX) =Z×E_knee(protons). Si `a l’inverse on a affaire `a un ph´enom`ene physique tel que mentionn´e plus haut, avec l’ouverture d’un nouveau canal d’interaction (par exemple vers la production d’un graviton dans une th´eorie de dimensions suppl´ementaires ´etendues, d’´echelle caract´eristique proche du TeV, cf. Kazanas & Nicolaidis, 2001b), alors c’est l’´energie par nucl´eon,E/A, qui devrait jouer le rˆole principal, et le genou des diff´erents ´el´ements devrait intervenir `a des ´energies Eknee(^A_ZX) =Z×Eknee(protons).

Pour trancher entre ces deux types de sc´enarios, le plus ais´e sera probablement de comparer le genou des protons `a celui des noyaux d’h´elium – qui sont en outre les plus abondants au sein du rayonnement cosmique –, puisque le second se situerait `a une

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energie soit quatre fois, soit seulement deux fois plus ´elev´ee que le premier suivant qu’on a affaire `a un m´ecanisme de physique des particules ou `a un ph´enom`ene astrophysique.

Mais c’est avec le genou des noyaux de fer que la d´etermination de la d´ependance en Z ou en Ade la position du genou aura sans doute ses cons´equences les plus d´ecisives sur la ph´enom´enologie du rayonnement cosmique. Dans le premier cas, le genou du fer devrait se situer un peu au-del`a de 10<sup>17</sup> eV, r´egion du spectre o`u rien de particulier n’est observ´e `a ce jour. Dans le second cas, en revanche, le fer aurait son genou vers 3 10<sup>17</sup> eV, c’est-`a-dire tout pr`es de la structure que l’on a d´esign´e ci-dessus comme le

«second genou».

Faut-il alors d´ej`a voir dans la forme g´en´erale du spectre des rayons cosmiques l’indice d’un genou d’origine physique plutˆot qu’astrophysique ? Il est certainement trop tˆot pour le dire. Mais surtout, mˆeme s’il devait finalement ˆetre ´etabli que les genoux ´el´ementaires se r´epartissent suivant la masse et non la charge des noyaux, il resterait la possibilit´e d’un

Mais on sait ´egalement qu’une probl´ematique importante nous est toujours mieux comprise et donc plus profitable lorsqu’on s’y investit – dans tous les sens du terme – de mani`ere plus directe...

1.3. PHYSIQUE ET ASTROPHYSIQUE `A TOUS LES ´ETAGES 17 m´ecanisme astrophysique exhibant ces mˆemes caract´eristiques. Or il en existe un – et un seul `a notre connaissance, mais nous le tenons pour particuli`erement int´eressant (en partie pour cette raison) : il s’agit du mod`ele d’acc´el´eration par r´eflexion des particules sur un nuage de plasma magn´etis´e en mouvement ultra-relativiste, que l’on d´esignera ici comme le mod`ele du boost en Γ<sup>2</sup>. En effet, des particules charg´ees qui entreraient dans un tel nuage et seraient en quelque sorte captur´ees par ses champs magn´etiques, pourraient en sortir `a nouveau, apr`es isotropisation, avec une ´energie mesur´ee dans le r´ef´erentiel galactique qui se d´eduirait de l’´energie initiale par simple application d’une double transformation de Lorentz – une correspondant `a l’entr´ee dans le nuage (passage dans le r´ef´erentiel en mouvement relativiste), et une `a la sortie (retour au r´ef´erentiel du milieu interstellaire). Pour les particules sortant dans la direction du mouvement du nuage, ce double boost conduirait en moyenne `a la multiplication de l’´energie initiale par le facteur de Lorentz du nuage au carr´e, soit Γ². L’application de cette id´ee au cas de nuages magn´etis´es associ´es aux sursauts gamma et plus g´en´eralement `a l’explosion asym´etrique des supernovæ (e.g. Dar, 2004), pr´esente plusieurs attrait. D’abord, une telle id´ee conserve aux supernovæ leur rˆole de source principale d’´energie pour les rayons cosmiques. Ensuite, elle r´ealise une coupure en ´energie effectivement proportionnelle `a A, et non `aZ, puisque l’´energie maximale atteinte par les particules est tout simplement Emax= 2Γ<sup>2</sup>M c<sup>2</sup>=A×2Γ<sup>2</sup>mpc<sup>2</sup>, o`umpest la masse du proton. Enfin, la distribution des facteurs de Lorentz des nuages magn´etis´es propos´es pour expliquer la ph´enom´enologie des sursauts gamma – nomm´es suggestivement «boulets de canons», ou cannonballs par les auteurs (voir Dar & de R´ujula, 2004, pour une revue compl`ete du mod`ele) – se pr´esente comme une distribution log-normale piqu´ee sur une valeur un peu sup´erieure `a Γ = 10<sup>3</sup> (Dar & de R´ujula, 2004), et conduit donc `a des valeurs de l’´energie maximale des diff´erents noyaux de l’ordre deA×1–3 PeV, en bon accord avec la position du genou.

Un tel mod`ele, n’en doutons pas, m´erite de figurer parmi les hypoth`eses int´eressantes quand il s’agit de r´efl´echir `a la structure du spectre des rayons cosmiques entre 10¹⁵ et 10¹⁷eV.

Telle est donc `a grands traits la situation relative au genou, qui reste, on en aura jug´e, extrˆemement ouverte et donc tout `a fait passionnante.