L' Astronomie de l'extrême univers

François Vannucci

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2007
• Imprimer l'ISBN: 9782738119131
• ISBN de l'eBook: 9782738191533
• Sujet: Sciences physiques
• Sujet: Astronomie et astrophysique

François Vannucci décrit dans ce livre le paradoxe de la nouvelle physique qui tente l'impossible : fusionner l'infiniment grand des étoiles, des galaxies, des amas et autres nébuleuses, à l'infiniment petit des photons, des protons, des neutrons et autres neutrinos. Il en présente l'enjeu : parvenir, peut-être, à unifier les quatre forces fondamentales qui régissent la matière (interactions forte et faible de l'atome, électromagnétisme du rayonnement et gravitation des corps). Il nous fait entrer dans les coulisses du ciel, là où se joue, dans des conditions extrêmes, la vie des astres, leur naissance et leur mort. Derrière leur incessant ballet sur la scène céleste. François Vannucci est professeur de physique à l'université Paris-VII-Denis-Diderot. Il est l'auteur du Miroir aux neutrinos.

Chapitre 7

Les particules
chargées de haute énergie

Le ciel pendant une heure paradait tout gelé d’un bout à l’autre d’écarlate en délire…

L. F. CÉLINE,

Voyage au bout de la nuit

Une pluie drue de protons

Le ciel nous tombe en partie sur la tête sous forme de rayonnement cosmique. Celui-ci est composé en grande majorité de protons, du moins aux basses énergies où leur nature a pu être précisément identifiée. Ce sont les mêmes particules qui composent les noyaux atomiques. Cela n’a rien de magique puisque toute la matière présente dans l’Univers prend naissance au moment du Big Bang, quand seuls existent les constituants élémentaires en interaction effrénée dans une soupe super-chaude et super-dense. L’évolution d’un tel milieu a engendré tous les noyaux atomiques légers aujourd’hui présents, et la grande majorité est restée sous forme de simples protons.

Ce modèle de genèse est corroboré par les observations puisque les protons représentent 90 % du flux cosmique total reçu sur Terre. La seconde composante largement présente dans le rayonnement est constituée de noyaux d’hélium, au niveau de 10 % du flux total et donc de 25 % si on considère la masse correspondante. Ces deux éléments reflètent la proportion de matière existant dans l’Univers dans son ensemble : ils sont un témoignage du Big Bang qui leur a donné naissance, et on comprend bien ce résultat comme une conséquence des processus nucléaires à l’origine du monde actuel. Viennent ensuite, au niveau de 1 %, les électrons et positrons, puis à un pour mille les noyaux plus élaborés de carbone, azote et oxygène.

On trouve aussi des atomes plus lourds. C’est heureux, sinon le monde serait bien différent et nous n’existerions pas, mais ces atomes n’existent qu’à l’état d’infimes traces. On mesure la présence de noyaux de fer à hauteur de un pour dix mille et les actinides à un pour cent milliards. Ces noyaux lourds n’ont pas leur origine dans le Big Bang. Ils proviennent de phénomènes beaucoup plus récents. Ils ont été produits lors des processus de nucléosynthèse stellaire, c’est-à-dire dans la marmite interne des étoiles. Ces éléments sont ensuite éjectés dans l’espace au moment de la mort de leurs géniteurs et ils ensemencent ainsi l’Univers. Les noyaux jusqu’au fer sont directement produits dans le cœur des étoiles par des processus successifs de fusions. Cela s’explique très bien dans le cadre de la physique nucléaire puisque les noyaux de fer correspondent à des combinaisons très soudées de protons et de neutrons et leur production est favorisée par le bilan des énergies mises en jeu. Pour les éléments plus lourds que le fer, il faut invoquer d’autres modes de production, par exemple la neutronisation de la matière, c’est-à-dire le bombardement par des neutrons, phénomène qui peut avoir lieu dans des objets de très grande masse.

On détecte effectivement la présence de tels éléments rares dans le flux cosmique, mais on ne peut avoir d’indication sur l’origine spatiale de ces particules. Étant chargées, elles sont défléchies par les champs magnétiques rencontrés, d’autant plus fortement qu’elles sont de basse énergie. Au final, elles semblent provenir de tous les points de l’horizon. Leur distribution est donc uniforme sur la carte du ciel, on parle d’isotropisation du flux par le champ magnétique, qui en conséquence devient diffus.

Il y a très peu d’antiparticules dans le rayonnement cosmique, du moins en ce qui concerne les particules chargées d’énergies modérées, les seules identifiées à ce jour avec précision. C’est l’une des grandes énigmes de la cosmologie de comprendre pourquoi et comment les antiparticules, présentes au moment du Big Bang à hauteur comparable à celle des particules, ont disparu depuis. C’est du moins le scénario favorisé aujourd’hui. Cette énigme est l’objet d’une recherche active, et on aimerait trouver des traces d’antimatière primordiale. En fait, des antiprotons ont été repérés, on possède déjà des mesures détaillées de leur flux, mais on explique leur présence par des réactions nucléaires à partir des protons qui bombardent le milieu traversé. On dit que les antiprotons sont secondaires.

Ainsi la distribution des rayons cosmiques est interprétée comme essentiellement composée de protons. C’est une connaissance certaine car directe à basses énergies. Dès les années 1960, des mesures ont été effectuées grâce à de petits instruments embarqués dans des ballons lâchés à partir de stations spécialisées. Puis, plus récemment, vint le temps des satellites qui confirma les résultats. À haute énergie la connaissance de la nature des particules est beaucoup plus hypothétique. En effet, on a vu qu’à basses énergies, les flux sont suffisamment importants pour permettre des mesures directes dans l’espace, tandis qu’à haute énergie les flux beaucoup plus faibles rendent nécessaires des mesures au sol où les rayons cosmiques arrivent transformés durant leur traversée de l’atmosphère. Une gerbe déclenchée par un antiproton ressemble à celle venant d’un proton comme une goutte d’eau à une autre goutte d’eau, alors on ne sait faire la différence.

Pour les particules de hautes énergies, qui doivent nécessairement être mesurées sur Terre, il est même difficile de différencier un proton primaire d’un noyau ou même d’un photon portant la même énergie. Par exemple, un noyau de fer composé de 56 nucléons et animé de l’énergie totale E se différenciera très peu d’un proton de même énergie car, en première approximation, il donnera une gerbe équivalente à celle produite par 56 protons, chacun ayant l’énergie E/56. On attend, dans le cas des noyaux lourds, des gerbes plus courtes, ce qui résulte en davantage de muons que dans le cas d’un proton de même énergie totale qui interagira plus profondément dans l’atmosphère. Mais ce résultat ne s’applique qu’en moyenne et les fluctuations dans la composition des gerbes seront telles que le critère n’est pas très contraignant. Les données actuelles ne donnent pas encore une stricte différenciation entre protons et noyaux. Quant à différencier un antiproton d’un proton, cela est hors de question sans champ magnétique.

La distribution de flux des rayons cosmiques semble indiquer une connaissance aboutie du spectre des rayons cosmiques, mais il faut bien avoir à l’esprit qu’il s’agit d’un spectre inclusif qui ne distingue pas la nature des rayons détectés, du moins pour la partie à haute énergie, et c’est l’un des présents enjeux de mesurer le spectre non plus global mais détaillé, séparément pour chaque catégorie de particules.

La limitation que l’on vient d’indiquer explique pourquoi les considérations sur les structures discernables dans le spectre en énergie des rayons cosmiques restent du domaine des spéculations. L’hypothèse de transitions entre régimes galactiques et extragalactiques est plausible et conforme aux idées qu’on a des grandes structures. Il n’en reste pas moins que, pour avoir davantage de certitudes, il faut mesurer plus précisément les différentes caractéristiques des événements observés, et c’est le but de nouvelles générations d’expériences qui contribueront à affiner cette recherche au cours des années à venir. Nous allons faire la revue de quelques exemples représentatifs.

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS)

Pour mesurer avec précision le rayonnement cosmique, et en particulier détecter les composantes minoritaires, antiprotons, noyaux ou encore photons, on a vu qu’il est essentiel de s’affranchir de l’atmosphère. On a déjà parlé de l’expérience BESS-polar. Intéressons-nous maintenant à un gros projet qui se prépare pour s’arrimer à la Station Spatiale Internationale peut-être dès 2008 nommé AMS.

Il s’agit d’un spectromètre complet, c’est-à-dire d’un dispositif muni d’un champ magnétique et de détecteurs adaptés pour reconstruire exactement les trajectoires de particules et identifier leur nature. La surface sensible atteint le mètre carré. Un champ magnétique est obligatoire pour déterminer le signe des charges des particules et permettre la discrimination entre protons et antiprotons par exemple. Le dispositif se dote d’un aimant supraconducteur afin de limiter le besoin en électricité, ce qui est un problème très contraignant dans l’espace. L’aimant produit un champ suffisamment fort pour permettre l’analyse des particules jusqu’à 50 GeV par la mesure de leur courbure. L’appareillage ressemble aux instruments qu’on installe dans les laboratoires de physique des particules. Des détecteurs de traces suivent point par point le parcours des particules, et des calorimètres permettent de confirmer les énergies et d’identifier sans ambiguïté leur identité. La caractérisation est affinée par la présence de compteurs très spécialisés, misant tour à tour sur le temps de vol, le rayonnement de transition et l’effet Cerenkov. Les mesures permettent des redondances, ce qui augmente la fiabilité du résultat par recoupement de toutes les informations recueillies. La panoplie complète des techniques d’accélérateurs est ici utilisée dans l’espace.

Un prototype moins ambitieux a déjà volé sur la navette spatiale lors d’un voyage limité à une semaine. Il a moissonné de précieux renseignements. Cette première version de l’expérience, nommée AMS1, a publié des résultats intéressants concernant en particulier les flux d’électrons et de positrons. La navette offrait déjà une capacité impressionnante de transport au niveau des masses et des volumes embarqués. De plus, la présence humaine permettant des interventions éventuelles représentait un facteur non négligeable d’assurance contre les risques de pannes. Le nouveau détecteur AMS2 se prépare pour un arrimage sur la Station Spatiale Internationale, ce qui permettra des conditions encore plus performantes et une durée beaucoup plus longue d’observation. L’expérience complète est programmée pour voler pendant plusieurs années et cela donnera la possibilité d’une étude précise des diverses composantes du flux cosmique jusqu’à des énergies de 50 GeV. En pratique, l’expérience est aussi capable de voir le passage de traces d’énergies bien supérieures, mais la courbure est alors trop faible pour pouvoir en tirer une information sur le signe des charges correspondantes. Elle pourra néanmoins donner des informations approximatives sur le flux au-delà des 50 GeV.

La question la plus fondamentale que veut résoudre AMS est à nouveau : où est passée l’antimatière de l’Univers ? Le signal d’antiprotons déjà avéré dans le flot des autres rayons cosmiques est actuellement mesuré au niveau attendu, en supposant qu’ils proviennent d’interactions de protons primaires dans le milieu traversé, en l’occurrence les immenses nuages de gaz présents au niveau des galaxies. Cette origine impose un spectre en énergie prédictible à partir du spectre connu des protons, et les résultats actuels reproduisent correctement les calculs dans la limite de leur précision. Malgré tout, l’incertitude reste encore forte. L’étude détaillée d’un échantillon plus abondant pourra donner des informations sur une éventuelle composante primaire qui démontrerait que toute l’antimatière ne s’est pas annihilée au moment du Big Bang. Ce serait une découverte majeure. La discrimination que permet l’appareillage sur la fraction d’antiprotons éventuels par rapport aux protons atteint le facteur un sur un million. L’expérience se donne aussi pour but de détecter des noyaux d’antimatière plus élaborés, en particulier l’antihélium, au niveau de sensibilité de un sur un milliard. Notons que sur Terre on ne sait fabriquer que des atomes d’antihydrogène dans lesquels un positron tourne autour d’un antiproton. C’est à ce jour l’excursion la plus évoluée dans le monde de l’antimatière réalisée par l’homme.

Au-delà de la recherche d’antimatière, l’expérience se dotera d’un dispositif spécial permettant de distinguer finement la masse atomique des éléments enregistrés. Ainsi on mesurera le rapport des flux de béryllium 10 sur béryllium 9. C’est une mesure intéressante car le temps de vie du béryllium 10 s’avère être de l’ordre de grandeur des temps caractéristiques de confinement galactique. La mesure donne des informations utiles sur les absorptions par les gaz présents dans les nuages ainsi que d’autres composantes de matière difficiles à détecter directement. Cela précisera la taille des halos gazeux entourant notre galaxie.

Malgré le progrès que représente AMS, du fait de son utilisation depuis l’espace, le détecteur est handicapé par un volume limité au mètre cube, ce qui contraint l’analyse fine à des énergies maximales de 50 GeV. Au-dessus de cette valeur, les traces peuvent être repérées jusqu’à quelques TeV, mais on ne sait évaluer leur courbure dans le champ magnétique et donc on ne peut extraire leur énergie. Il y a par ailleurs la limitation intrinsèque des expériences spatiales : les hautes énergies impliquent des flux diminués, ce qui contraint encore le domaine de recherche. Pour aller au-delà, il n’y a pas d’alternative à une expérience au sol, sachant que la précision d’une telle mesure sera beaucoup plus approximative que celle d’une recherche directe.

Kascade

Le sang de la nuit moderne est une lumière chantante. Des tatouages, elle porte des tatouages mobiles sur son sein, la nuit. Elle a des bigoudis d’étincelles.

ARAGON,

Le Paysan de Paris

Kascade est constitué d’un réseau de petites stations de détection dispersées dans une forêt près de la ville de Karlsruhe en Allemagne. L’expérience appartient donc à la catégorie des dispositifs construits au sol. Elle est optimisée pour la détection des rayons cosmiques entre 10¹⁴ et quelque 10¹⁶ eV, c’est-à-dire la région entourant le premier genou de la distribution du flux. L’ensemble forme une matrice de détecteurs comparable aux nœuds d’un filet qui échantillonnent les particules tombant sur Terre. L’appareil est sensible à l’averse engendrée par la gerbe produite le long du passage du rayon cosmique dans l’atmosphère et qui arrive jusqu’au sol. Avec un ensemble de 37 stations, chacune couvrant 10 mètres carrés, et distantes les unes des autres de 130 mètres, l’expérience couvre une surface totale de un kilomètre carré. C’est la surface effective à travers laquelle on mesure le flux arrivant de rayons cosmiques primaires. Elle est sans commune mesure avec la superficie d’un détecteur spatial. Au centre du réseau, un appareillage compact plus élaboré complète le dispositif pour la mesure des muons.

L’instrumentation n’est pas homogène, elle peut être comparée à un tamis, et beaucoup de particules tomberont hors des mailles et donc sans être détectées. Mais le résultat s’avère suffisamment précis pour la mesure envisagée. En effet, comme il a été souligné, un rayon cosmique de haute énergie engendre dans la traversée de l’atmosphère une gerbe étendue qui peut arroser au sol de grandes surfaces d’une pluie dense de particules secondaires réparties à peu près uniformément. Une animation du développement d’une gerbe hadronique est montrée sur le site www.auger.org/photos/AnimGif.html. C’est le résultat d’une simulation détaillée sur ordinateur. Le réseau n’est actif que sur environ 3 % de la surface totale couverte, mais puisque le nombre de particules au sol est très grand, il suffit d’en détecter une faible partie pour permettre une évaluation suffisamment précise de l’énergie initialement véhiculée par le cosmique primaire. En pratique l’incertitude de mesure s’avère être de l’ordre de 30 %.

Kascade est aveugle pour les basses énergies puisque le nombre de particules atteignant le sol est alors trop réduit et n’intéresse qu’une surface médiocre. Les produits de la gerbe peuvent tomber entre deux stations consécutives et aucun signal n’est recueilli, ou bien une seule station est sollicitée, ce qui donne une information trop ténue pour être utilisable. À l’opposé, la surface totale couverte est trop petite pour espérer recueillir un échantillon significatif d’événements d’énergie supérieure à 10¹⁸ eV, puisqu’on attend alors une seule particule par an dont l’énergie serait très mal mesurée, l’événement n’étant pas circonscrit dans la surface totale active et une bonne part de l’énergie tombant à l’extérieur du réseau.

Ainsi le dispositif Kascade est optimisé pour la région intermédiaire des énergies située autour du genou. En particulier l’expérience cherche à affiner la composition chimique du rayonnement détecté. Comme on l’a esquissé, la composition chimique se déduit de l’altitude où se développe le maximum de la gerbe engendrée par l’interaction du rayon dans l’atmosphère. Un proton unique ayant l’énergie d’un noyau de fer tend à traverser plus profondément et donc le maximum correspondant est décalé vers le sol. Mais les fluctuations sur cette profondeur d’interaction sont du même ordre de grandeur que l’effet recherché et donc les résultats restent sujets à interprétation. L’extraction de la composition chimique demeure donc très sensible aux problèmes de reconstruction des gerbes. Néanmoins, les premiers résultats semblent indiquer un effet systématique montrant que la position du genou se déplace suivant la nature chimique du cosmique. Cette position dépend de la charge Z des noyaux détectés et s’élève en énergie quand on passe des protons aux noyaux plus lourds.

On a déjà fait remarquer que la cassure dans la distribution surnommée genou peut être associée au confinement dans le champ magnétique de la galaxie. Les particules d’énergies plus élevées sont les premières à s’échapper et donc leur flux s’en ressent. Pour une même énergie, un noyau possède une charge plus élevée qu’un proton et donc sera plus sujet au piégeage magnétique. C’est cohérent avec l’observation que le genou semble d’autant plus décalé vers les énergies supérieures, les charges des objets détectés étant plus élevées. Ainsi pour les protons, il se situe autour de 5 10¹⁵ eV, pour l’hélium vers 10¹⁶ eV et pour le fer vers 10¹⁷ eV. Ce résultat va dans le sens de l’interprétation proposée. Cette remarque montre donc que la part des noyaux augmente par rapport à celle des protons quand l’énergie croît. Les restes de supernovae, abondants émetteurs de noyaux de fer, pourraient alors expliquer les rayons cosmiques jusqu’à 10¹⁷ eV. Mais il n’existe pas encore de description cohérente précise des interactions dans l’atmosphère qui permettrait d’affiner la distinction entre les diverses composantes, et ce résultat reste préliminaire.

Kascade-Grande sera l’étape suivante envisagée pour l’expérience. Le nouveau proj...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Chapitre premier - L’Univers lumineux
• Chapitre 2 - Les cartes célestes
• Chapitre 3 - Astroparticules ou astroparticule ?
• Chapitre 4 - Les rayons cosmiques
• Chapitre 5 - Mesures d’en haut et mesures d’en bas
• Chapitre 6 - Les violences cachées de l’Univers
• Chapitre 7 - Les particules chargées de haute énergie
• Chapitre 8 - Les photons de haute énergie
• Chapitre 9 - Les neutrinos
• Chapitre 10 - L’astronomie des neutrinos
• Chapitre 11 - La radiodétection des grandes gerbes
• Chapitre 12 - Les ondes gravitationnelles
• Chapitre 13 - Une carte encore désespérément vide
• Chapitre 14 - Le mythe scientifique
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