Les rayons cosmiques : historique et enjeux actuels - IPN - IN2P3

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Fig. 5: Spectre en énergie des rayons cosmiques Fig. 6: Spectre en énergie des rayons cosmiques multiplié par E 3 8
tourner vers des sites permettant d’accélérer des particules, jusqu’à des énergies parfois colossales. Si l’on considère des processus d’accélération de Fermi, les meilleurs candidats sont des phénomènes violents produisant des ondes de choc (l’accélération de Fermi suppose que les particules sont accélérées par ondes de choc successives dans les plasmas). On peut alors penser aux explosions de supernovae ou aux éjections de matière relativiste comme les jets observés dans des noyaux actifs de galaxie ou produits par les sursauts gammas. L’énergie qu’il est possible d’atteindre avec de tels mécanismes est grossièrement proportionnelle à l’intensité du champ magnétique régnant dans le site, mais aussi à la taille du site puisque les rayons cosmiques doivent y être confinés assez longtemps pour y être accélérés. L’hypothèse la plus communément admise est que l’essentiel des rayons cosmiques (E < 10 15 eV) pourrait être accéléré par les chocs en expansion que produisent les vestiges de supernovae. Cette hypothèse est d’autant plus attrayante que les modèles d’accélération dans les restes de supernovae prévoient en sortie un spectre en loi de puissance comme celui du rayonnement cosmique. D’autre part, la puissance des supernovae dans la galaxie est compatible avec la puissance requise pour renouveler le flux des rayons cosmiques, de l’ordre de 1.5 10 41 erg [1]. Lorsque l’on cherche les sources du rayonnement cosmique à plus haute énergie, le nombre de candidats est plus limité, comme le montre le diagramme de Hillas (figure 7), qui résume les caractéristiques de différentes sources en présentant l’intensité du champ magnétique en fonction de leur taille. Les lignes rouges pleines et pointillées montrent les caractéristiques des sources nécessaires pour atteindre pour des protons respectivement 10 19 et 10 20 eV. Seuls les noyaux actifs de galaxie, les sursauts gamma et les étoiles à neutrons sont des objets qui permettraient éventuellement d’accéder à de telles énergies. Actuellement, il reste à prouver que les processus de Fermi sont capables d’accélérer des particules aux énergies les plus extrêmes du spectre, sachant qu’à ces énergies, et dans les sites pressentis de très fort champs magnétiques, il faut tenir compte des pertes d’énergie par interaction Compton inverse sur les rayonnements environnants. La question de la nature des sources possibles, plus particulièrement à haute énergie, suscite de nombreux débats et nécessite d’être élucidée. 9
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