Une mystérieuse barrière empêche les rayons cosmiques d’atteindre le centre galactique

Une nouvelle étude a révélé que le centre de la Voie lactée est un puissant accélérateur de particules, mais qu’un mécanisme inconnu empêche les rayons cosmiques de pénétrer dans le vaste nuage appelé zone moléculaire centrale.

Le centre galactique en radio et rayons X. (NASA/CXC/UMass/D. Wang et al./NRF/SARAO/MeerKAT)

Cette découverte pourrait nous aider à mieux comprendre l’origine des rayons cosmiques – des particules telles que les protons et les noyaux atomiques qui traversent constamment l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière.

Le centre galactique est une zone de mystère. Nous avons une idée assez précise de ce qui s’y trouve, mais il est si épais de poussière que nous ne pouvons pas l’étudier dans toute une gamme de longueurs d’onde, des rayons X mous à la lumière visible. Cela a imposé certaines limites à ce que nous pouvons et ne pouvons pas voir.

Les astronomes pensent que le centre galactique est une source importante de rayons cosmiques. Il s’agit de protons et de noyaux qui ont été dépouillés d’électrons et accélérés à des vitesses relativistes par de puissants champs magnétiques. Il existe un certain nombre d’objets dans le centre galactique qui pourraient agir comme des accélérateurs de rayons cosmiques : les restes de supernova, les nébuleuses à vent de pulsar et le trou supermassif au cœur de la Voie lactée, Sagittarius A*.

D’après les données d’observation et la modélisation, la distribution des rayons cosmiques dans la Voie lactée devrait être régulière et plus ou moins stable. Les rayons cosmiques sortent des accélérateurs et se propagent dans le champ magnétique galactique, où ils sont probablement ralentis et ré-accélérés pour donner ce que les astronomes appellent une mer de rayons cosmiques.

Pour étudier comment les rayons cosmiques sont accélérés et transportés, il faut une source de rayons cosmiques frais.

Par chance, les rayons cosmiques sont très énergétiques. Cela signifie que nous pouvons les détecter dans le centre galactique, car cette gamme d’énergie produit de la lumière dans la gamme limitée de longueurs d’onde qui pénètre la poussière à cet endroit.

Les rayons cosmiques peuvent interagir avec le milieu interstellaire – le gaz et la poussière qui traînent dans l’espace entre les étoiles – et cette interaction produit à son tour des photons gamma de haute énergie, avec environ 10 % de l’énergie de leurs parents rayons cosmiques.

Dirigée par l’astronome Xiaoyuan Huang de l’Académie chinoise des sciences, une équipe de chercheurs a examiné le rayonnement gamma dans le nuage moléculaire central de la Voie lactée à l’aide des données du télescope Fermi Large Area, dans l’espoir de trouver ces sources de rayons cosmiques frais.

Ils ont trouvé des rayons gamma qui suggèrent, comme prévu, que le centre galactique est un accélérateur de particules à haute énergie – ou du moins, que quelque chose dans la région l’est. Mais ils ont également trouvé quelque chose de vraiment surprenant.

Selon les calculs de l’équipe, la densité des rayons cosmiques dans le nuage moléculaire central est inférieure à la densité de la mer de rayons cosmiques. Cela suggère la présence d’une sorte de barrière qui empêche les rayons cosmiques de pénétrer dans le nuage moléculaire central.

La nature exacte de cette barrière devra faire l’objet de recherches futures, mais il existe plusieurs possibilités intrigantes.

Les nuages moléculaires sont des endroits compliqués. L’effondrement des parties plus denses du nuage peut entraîner une compression des champs magnétiques ; cela pourrait constituer une barrière. Une autre possibilité serait la turbulence magnétohydrodynamique.

Ici, dans le système solaire, les rayons cosmiques sont modulés par le vent solaire. Il est possible que, dans le centre galactique, le vent galactique joue un rôle similaire. L’équipe a calculé la densité des rayons cosmiques en présence d’un vent galactique, et a obtenu un résultat similaire à celui de son analyse des données des rayons gamma.

Les futurs travaux visant à explorer ce phénomène plus en détail pourraient permettre d’écarter certains des mécanismes qui pourraient en être la cause.

En outre, une modélisation tridimensionnelle plus détaillée du centre galactique pourrait permettre de mieux comprendre l’origine et le transport des rayons cosmiques dans la Voie lactée, indiquent les chercheurs. Il y a toujours quelque chose à découvrir, en effet.

Les recherches ont été publiées dans Nature Communications.

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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche