Le domaine GZK

Le dernier domaine d’´energie sur lequel nous nous arrˆeterons est aussi celui qui reste le plus ´enigmatique, en premier lieu pour des raisons observationnelles. Il s’agit de l’extrˆeme fin du spectre des rayons cosmiques, dont on ne sait d’ailleurs pas o`u il faut la situer.

La particule probablement la plus ´energ´etique qui ait jamais ´et´e d´etect´ee a percut´e l’atmosph`ere terrestre au-dessus de l’Utah le 15 octobre 1991, avec une ´energie aux alentours de 3 10<sup>20</sup> eV, c’est-`a-dire environ 50 joules ! Au-del`a, rien `a ce jour. Mais comment savoir si le rayonnement cosmique prend fin ou si son flux est simplement trop faible pour ˆetre d´etect´e ? Il y a une fa¸con “simple” de le savoir : augmenter notre puissance de d´etection. Et puisque nous parlons l`a de flux de l’ordre de la particule par si`ecle et par kilom`etre carr´e (sic), il convient soit d’attendre des si`ecles, soit de construire des instruments couvrant une surface v´eritablement gigantesque. C’est bien entendu la seconde solution qui fut retenue par la communaut´e des cosmiciens impliqu´ee dans l’aventure exceptionnelle de l’Observatoire Pierre Auger, sur le point de tenir le pari d’´equiper la pampa argentine, au pied des Andes, de d´etecteurs capables de mesurer des gerbes atmosph´eriques sur une surface de 3 000 km².

Nous reviendrons sur cet observatoire dans la partie IV, mais consid´erons `a nou-veau cette valeur inou¨ıe : 50 joules ! Nous parlons en effet d’´energies macroscopiques,

´equivalant `a l’´energie cin´etique d’une balle de tennis frapp´ee `a 100 km/h, et qui re-qui`erent, s’il s’agit comme on le pense de protons, des facteurs de Lorentz de l’ordre de 3 10<sup>11</sup>. Chacun sait bien sˆur ce qu’est un facteur de Lorentz, mais qu’on s’y arrˆete tout de mˆeme un instant, pour le plaisir du vertige : `a une telle ´energie, le temps du proton est dilat´e au point qu’une de ses secondes dure 10 000 de nos ann´ees terriennes, et les longueurs dans son r´ef´erentiel sont telles que la distance Terre-Soleil est r´eduite `a 50 centim`etres !

Pourtant, si les rayons cosmiques de cette ´energie interrogent `a ce point les physiciens et astrophysiciens qui en ont entrepris l’´etude, c’est pour de tout autres raisons, li´ees `a trois caract´eristiques principales qui semblent contredire nos connaissances.

Energies extrˆ´ emes

La premi`ere de ces caract´eristiques – peut-ˆetre la moins grave, bien que repr´esentant aujourd’hui encore un v´eritable d´efi – c’est l’existence mˆeme de ces particules extraor-dinairement ´energ´etiques ! En d´epit des efforts des astrophysiciens th´eoriciens, il semble

20 CHAPITRE 1. AUTO-PR ´ESENTATION DU RAYONNEMENT COSMIQUE tr`es difficile d’identifier des sources, mˆeme parmi les plus puissantes connues dans l’uni-vers, qui soient capable d’acc´el´erer des particules jusqu’`a des ´energies aussi ´elev´ees.

Pour ne donner qu’un aper¸cu tr`es bref, disons qu’on dispose en principe de deux types de mod`eles. Le premier regroupe en quelque sorte des acc´el´erateurs lin´eaires fonc-tionnant `a peu pr`es comme ceux de nos laboratoires, en appliquant une diff´erence de potentiel ´elev´ee et en laissant les particules charg´ees convertir en ´energie cin´etique leur

´

energie potentielle ´electrique. Bien sˆur, pour obtenir des protons de 10²⁰ eV, il faut des champs ´electriques de 10²⁰ volts, ce qui est ´enorme, mˆeme `a l’´echelle astronomique.

D’ailleurs, la mati`ere ´etant globalement neutre et conductrice dans l’univers, tout champ

´

electrique tend `a s’annuler tr`es rapidement, et il faut donc recourir `a de v´eritables machines ´electrostatiques si on veut disposer durablement d’une source d’acc´el´eration cons´equente. Mais de telles machines existent en effet : que l’on pense notamment aux pulsars, qui du point de vue ´electromagn´etique sont de tr`es forts aimants en rotation rapide... Reste que si nous pouvons pointer de la sorte quelques environnements astro-physiques potentiellement int´eressants, nous ne disposons gu`ere `a ce jour de mod`eles coh´erents capables d’expliquer comment on en pourrait disposer de mani`ere r´eellement efficace...

L’autre moyen d’acc´el´erer des particules consiste `a recourir non pas des champs

´

electriques ordonn´es, mais `a des champs magn´etiques – ce qui est en quelque sorte un paradoxe puisque chacun sait que la force magn´etique ne travaille pas, et qu’un champ magn´etique statique reste donc incapable de communiquer la moindre ´energie `a une particule. Mais les champs magn´etiques, dans l’univers, sont souvent associ´es `a des inho-mog´en´eit´es de vitesse, qui proposent en quelque sorte des r´ef´erentiels naturels multiples, diff´erents du r´ef´erentiel galactique moyen, au sein duquel les champs magn´etiques en mouvement apparaissent alors comme des champs ´electriques induits, en vertu sim-plement des propri´et´es des changements de r´ef´erentiel. Ces inhomog´en´eit´es de vitesse peuvent se pr´esenter sous forme d’ondes de choc ou de turbulence. Dans tous les cas, on souhaitera disposer des environnements les plus vastes possibles, et contenant les champs magn´etiques les plus forts, afin d’atteindre les ´energies les plus grandes. Car comme on l’a d´ej`a relev´e au paragraphe 1.3.3, il faut toujours pouvoir confiner les particules qu’on acc´el`ere, sous peine de voir le processus prendre fin pr´ematur´ement. Les particules d’´energie extrˆeme pourraient ainsi provenir des chocs gigantesques qui se forment aux extr´emit´es des jets extragalactiques, ´emis par les trous noirs g´eants log´es au cœur des galaxies actives. Les ondes de choc ultra-relativistes accompagnant les sursauts gamma, ou mˆeme les structures magn´etiques complexes que ces derniers abritent, font ´egalement figure de candidats s´erieux.

Ce rapide survol fait d´ej`a apparaˆıtre quelques mots-cl´e int´eressants : pulsars, magn´etars, trous noirs supermassifs, jets relativistes, noyaux actifs de galaxie, hyper-novæ, sursauts gamma... En somme, c’est toute l’astrophysique des hautes ´energies qui s’invite ainsi `a la table des r´eflexions sur le rayonnement cosmique aux limites de son spectre, avec son bestiaire de sources qui font aujourd’hui l’objet d’´etudes approfon-dies dans tous les domaines de longueurs d’onde accessibles aux astronomes du sol et de l’espace. Mais invoquer les sources les plus ´energ´etiques de l’univers ne suffit pas n´ecessairement, et il semble que mˆeme pour ces objets de l’extrˆeme, l’acc´el´eration de particules jusqu’`a plusieurs dizaines de joules demeure une v´eritable gageure ! On peut estimer cependant que, bon an mal an, en “tirant” suffisamment les param`etres, quelques pistes cr´edibles commencent `a se d´egager, notamment li´ees aux sursauts gamma ou aux jets extragalactiques. Et puis la Nature a souvent des ressources que nous ´evaluons mal, et se donne parfois `a elle-mˆeme des limites moins s´ev`eres que nos trop prudentes th´eories...

1.3. PHYSIQUE ET ASTROPHYSIQUE `A TOUS LES ´ETAGES 21 Avant d’en venir au second probl`eme pos´e par ces rayons cosmiques d’´energie extrˆeme, il est indispensable d’´evoquer ici les nombreux travaux consacr´es `a l’explo-ration d’hypoth`eses radicalement diff´erentes, dont certaines, pour le coup, ne manquent pas de hardiesse ! Et si les rayons cosmiques les plus ´energ´etiques n’´etaient finalement pas des particules du milieu ambiant acc´el´er´ees par un m´ecanisme astrophysique `a d´ecouvrir, mais des particules n´ees d`es le d´epart avec leur exceptionnelle ´energie ? C’est ce que pro-posent les mod`eles«top-down», d’inspiration essentiellement physique, qui reposent sur l’id´ee que des particules supermassives pourraient d´ecroˆıtre de temps en temps et pro-duire nos rayons cosmiques comme des particules secondaires, avec une ´energie cin´etique initiale consid´erable. Ces particules supermassives, inconnues il est vrai et nomm´ees simplement particules X (sic !), pourraient avoir des masses au niveau de l’´echelle de grande unification (∼ 10<sup>25</sup> eV), ou encore de l’´echelle de Planck (∼ 10<sup>28</sup> eV). Le big bang aurait pu les produire, et si elles ´etaient suffisamment stables pour avoir surv´ecu jusqu’`a ce jour, elles se d´esint´egreraient en initiant des jets hadroniques constitu´es d’une myriade de particules de plus basse ´energie, parmi lesquels des protons de 10²¹eV n’au-raient certes aucun mal `a ´emerger. `A d´efaut d’ˆetre suffisamment stable, ces particules pourraient encore ˆetre cr´e´ees localement lors des gigantesques lib´erations d’´energie qui accompagneraient l’interaction de d´efauts topologiques – stables, eux–, form´es lors des transitions de phase fondamentales de l’univers primitif. Autant de pistes `a explorer, qui maintiennent en ´eveil – parfois mˆeme au-del`a du raisonnable ! – l’imagination des physiciens...

Nous tenons toutefois `a indiquer que la plupart des mod`eles top-down propos´es au cours de la derni`ere d´ecennie ont rencontr´e les plus grandes difficult´es `a s’affranchir d’un certain nombre de contraintes astrophysiques, et notamment de celles apport´ees par l’astronomie gamma. C’est que la d´ecroissance des particules supermassives ne peut

´eviter de conduire, avec la propagation de ses sous-produits dans le milieu intergalactique,

`

a toute une cascade ´electromagn´etique qui s’ach`eve in´evitablement par un tr`es grand nombre de photons entre 10 et 100 GeV. Or la quasi totalit´e des mod`eles top-down envisag´es pr´edisent des flux gamma en exc`es par rapport aux mesures de l’instrument EGRET, `a bord du satellite CGRO, et doivent donc ˆetre abandonn´es. Mais les mod`eles ont la vie dure, et de nombreux amendements ont ´et´e propos´es pour r´eduire les flux indirects de rayons gamma sans compromettre la participation des mod`eles top-down au flux des rayons cosmiques d’´energie extrˆeme. En particulier, on tend g´en´eralement

`

a r´eduire la masse caract´eristique des particules X, quitte `a abandonner les arguments les plus naturels et sacrifier ainsi les v´eritables motivations physiques des mod`eles. Le r´esultat, il faut bien le dire, finit par ressembler `a une confection ad hoc de mod`eles assez peu convaincante, destin´ee `a rendre compte un peu arbitrairement d’un probl`eme astrophysique dont on n’est pas si sˆur, apr`es tout, qu’il existe (cf. la discussion ci-dessous,

`

a propos de la coupure GZK). Quoi qu’il en soit, ce type de mod`eles pourra encore ˆetre test´e par un biais diff´erent lorsque la prochaine g´en´eration de d´etecteurs de neutrinos entrera en service, puisqu’ils ont tous la vertu de produire ces particules en tr`es grand nombre (voir aussi la contrainte expos´ee au chapitre 17).

Isotropie des flux

La deuxi`eme caract´eristique ´etonnante de ces rayons cosmiques de tr`es haute ´energie est l’apparente isotropie de leur distribution angulaire. Nous avons d´ej`a ´evoqu´e la pro-pagation des particules charg´ees dans des champs magn´etiques, d’abord pour expliquer l’isotropie du rayonnement cosmique de basse ´energie, ensuite pour signaler la perte de confinement attendue pour des protons de quelques EeV (1 EeV = 10<sup>18</sup> eV). `A plus

22 CHAPITRE 1. AUTO-PR ´ESENTATION DU RAYONNEMENT COSMIQUE haute ´energie encore, les rayons de Larmor des noyaux deviennent si grands devant les dimensions de la galaxie que les rayons cosmiques devraient finir par ne plus r´eagir aux forces magn´etiques, et poursuivre une trajectoire quasiment rectiligne qui aurait alors la vertu de nous indiquer sans ´equivoque l’emplacement des sources tant recherch´ees.

A partir de quelle ´` energie un tel«pointage des sources»devrait-il ˆetre possible ? Tout d´epend des champs magn´etiques intergalactiques, de leur intensit´e comme de leur struc-ture, notamment leur longueur de coh´erence. L’une et l’autre restent tr`es mal connues.

Mais selon toute vraisemblance, les champs ne devraient pas d´epasser les quelques di-zaines de nanogauss, hormis dans les r´egions `a plus forte concentration de mati`ere, comme les amas de galaxies, qui n’occupent cependant qu’une fraction n´egligeable du volume extragalactique. Avec de tels champs, l’isotropie des rayons cosmiques de tr`es haute ´energie demeure un myst`ere, d’autant plus grand que les sources sont contraintes

`

a ˆetre relativement proches (cf. ci-dessous), laissant ainsi tr`es peu de temps aux forces magn´etiques pour incurver significativement les trajectoires des particules charg´ees.

Alors, comment faut-il comprendre cette distribution angulaire inattendue ? Souffre-t-elle avant tout d’un manque de statistique ? L’accumulation des donn´ees permettra-t-elle de voir se d´egager des directions privil´egi´ees dans le ciel, voire des sources indivi-duelles ? Les champs magn´etiques extragalactiques sont-ils finalement plus intenses qu’on ne le soup¸conne ? `A moins que les rayons cosmiques de tr`es haute ´energie ne pointent effectivement dans la direction de leurs sources, mais que celles-ci soient distribu´ees de mani`ere isotrope dans le ciel... Ce serait certes ´etonnant, puisque la distribution de la mati`ere, visible ou sombre, est tr`es inhomog`ene `a l’´echelle de quelques dizaines de m´egaparsecs. Mais le recours `a des sources situ´ees dans le halo de notre galaxie, comme nous l’avons ´evoqu´e au paragraphe pr´ec´edent, aurait la vertu de r´esoudre ce probl`eme d’isotropie, du moins tant que la statistique ne permet pas de d´etecter la faible asym´etrie attendue entre les flux provenant du centre et de l’anticentre galactiques, en raison de la position excentr´ee de la Terre. L’accroissement du volume des donn´ees pourrait alors r´ev´eler l’existence ou l’absence d’une telle anisotropie, et ainsi confirmer ou infirmer ce type de mod`eles.

Mais peut-ˆetre est-ce en r´ealit´e la charge de ces particules que nous sous-estimons ? On sait cependant que les noyaux ultra-´energ´etiques, ´etant photo-d´esint´egr´es par les photons omnipr´esents du rayonnement fossile micro-onde, ont une dur´ee de vie tr`es courte dans l’univers. Si nous avons affaire `a des noyaux lourds, leurs sources doivent donc se trouver extrˆemement proches. Alors pourquoi pas, l`a encore, au sein mˆeme de notre galaxie ? Reste, toutefois, `a proposer un mod`ele convaincant. Car en ramenant les sources «sous notre nez», pour ainsi dire, on r´eduit consid´erablement la latitude laiss´ee au th´eoricien, qui doit alors non seulement rendre compte des propri´et´es du rayonnement cosmique de tr`es haute ´energie, mais aussi s’assurer qu’aucun effet induit ni aucune caract´eristique secondaire de ces sources n’entrent en conflit avec les observations astronomiques d´etaill´ees disponibles dans la galaxie.

On le voit, les incertitudes sont nombreuses en ce domaine, et nous tenons le probl`eme de la distribution angulaire des rayons cosmiques pour particuli`erement important. Sans doute est-ce la raison pour laquelle nous lui avons consacr´e quelques travaux, dont nous ferons ´etat aux chapitres??et 16, et plus bri`evement au chapitre 9.

Coupure GZK

Enfin, la troisi`eme caract´eristique inattendue, en contradiction directe avec une pr´ediction datant de 1966, est que le flux des rayons cosmiques d’´energie sup´erieure

`

a 10²⁰eV ne semble pas significativement plus faible que ce qu’impliquerait la poursuite

1.3. PHYSIQUE ET ASTROPHYSIQUE `A TOUS LES ´ETAGES 23 r´eguli`ere de la d´ecroissance en∼E^−2.7observ´ee `a plus basse ´energie. Or, parall`element `a la propagation dans l’espace sous l’influence des champs magn´etiques, dont nous venons de parler et dont nous avons dit les probl`emes qu’elle soulevait pour les rayons cosmiques de tr`es haute ´energie, la propagation des rayons cosmiques dans l’espace des ´energies fait apparaˆıtre une propri´et´e singuli`ere qui conduit `a attendre une chute brutale de leur flux autour de 10<sup>20</sup> eV. Il s’agit pratiquement d’un seuil cosmique fondamental, reli´e `a une propri´et´e tr`es importante de notre univers : l’existence d’un fond de rayonnement cosmo-logique dans le domaine des micro-ondes (CMB), caract´eris´e par un spectre thermique de temp´erature 2.73 K. Ces photons extrˆemement froids qui remplissent uniform´ement l’univers peuvent sembler parfaitement inoffensifs, mais dans le r´ef´erentiel propre du rayon cosmique qui se pr´ecipite sur eux avec un facteur de Lorentz de 10¹¹, le simple photon micro-onde devient alors un photon gamma redoutable, capable de cr´eer une paire ´electron/positon ou mˆeme un pion. Ceci, dans le r´ef´erentiel naturel de l’univers, ne peut se faire qu’aux d´epens du rayon cosmique, qui doit abandonner une partie de son

´energie. Il se trouve que ces pertes d’´energie sont en r´ealit´e extrˆemement efficaces dans le cas de la production de pions. On peut montrer facilement (cf. plus bas) qu’un proton – eta fortiori un noyau, sujet `a la photo-dissociation – ne peut se propager `a une ´energie sup´erieure `a 10<sup>20</sup>eV pendant plus d’une centaine de millions d’ann´ees. En cons´equence, si nous venons `a en d´etecter un, nous pouvons inf´erer qu’il provient d’une source situ´ee

`

a moins de quelques dizaines de Mpc. Pour un proton de 3 10²⁰ eV, l’horizon est encore plus proche, de l’ordre de 15 `a 20 Mpc.

Ce fait est tout `a fait incontournable dans le cadre de la physique la plus ´el´ementaire, puisqu’il se d´eduit simplement de la relativit´e restreinte (qui d´etermine la transformation de l’´energie du photon du CMB vers le r´ef´erentiel du rayon cosmique) et de l’existence av´er´ee du rayonnement fossile. Il a plusieurs cons´equences importantes, notamment sur la probl´ematique des sources et celle de la distribution angulaire, que nous venons d’exa-miner. Plus les sources doivent ˆetre proches, moins on comprend l’isotropie du flux ou l’absence d’identification de sources individuelles. En outre, dans un voisinage si proche, il paraˆıt difficile de dissimuler aux yeux multiples de l’astronomie des sources qu’on de-vine particuli`erement puissantes, compte tenu des difficult´es apparentes de nos candidats pourtant les plus brillants. Aurions-nous donc ces sources sous les yeux, sans nous dou-ter de leurs facult´es exceptionnelles ? Ou bien ces sources seraient-elles invisibles parce que collimat´ees dans une autre direction ? Ou encore ´eph´em`eres ? C’est en tout cas une des raisons qui, `a nos yeux, favorisent les mod`eles explosifs comme ceux impliquant les sursauts gamma.

Mais la cons´equence de la photo-production de pions sur le fonds diffus cosmologique qui engendra le plus grand nombre de travaux est sans conteste, comme nous y faisions allusion ci-dessus, une diminution drastique du flux des rayons cosmiques attendue aux alentours de 10²⁰eV. En effet, tous les protons (ou noyaux) qui auraient ´et´e acc´el´er´es `a des ´energies sup´erieures se trouveraient rapidement reconduits sous le seuil de la r´eaction.

Le flux d´etect´e `a des ´energies inf´erieures, disons `a 5 10¹⁹ eV, prend donc en compte les rayons cosmiques de toutes les sources comprises dans un volume de quelques Gpc³ (correspondant `a l’horizon effectif `a cette ´energie), tandis que le flux d´etect´e au-del`a du seuil, disons `a 2 10²⁰eV, ne comptabilise que les sources situ´ees dans un rayon d’environ 50 Mpc. Nous reviendrons plus loin sur la mise en œuvre pr´ecise de cette diminution du spectre, que l’on d´esigne sous le nom de «coupure GZK», en l’honneur de Greisen d’une part, et de Zatsepin et Kuzmin d’autre part, qui, ind´ependamment et tr`es peu

Le flux d´etect´e `a des ´energies inf´erieures, disons `a 5 10¹⁹ eV, prend donc en compte les rayons cosmiques de toutes les sources comprises dans un volume de quelques Gpc³ (correspondant `a l’horizon effectif `a cette ´energie), tandis que le flux d´etect´e au-del`a du seuil, disons `a 2 10²⁰eV, ne comptabilise que les sources situ´ees dans un rayon d’environ 50 Mpc. Nous reviendrons plus loin sur la mise en œuvre pr´ecise de cette diminution du spectre, que l’on d´esigne sous le nom de «coupure GZK», en l’honneur de Greisen d’une part, et de Zatsepin et Kuzmin d’autre part, qui, ind´ependamment et tr`es peu