Les trous noirs pourraient-ils aider à expliquer le rayonnement cosmique à haute énergie?
L’univers est plein de différents types de rayonnement et de particules qui peuvent être observés ici sur Terre. Cela comprend des photons sur toute la gamme du spectre électromagnétique, des plus basses fréquences radio-radio jusqu’aux rayons gamma les plus énergiques. Il comprend également d’autres particules telles que les neutrinos et les rayons cosmiques, qui circulent à travers l’univers à proximité de la vitesse de la lumière.
Curieusement, les «rayons cosmiques» ne sont pas en fait des rayons – ce nom a des raisons historiques – mais de petites particules, principalement des noyaux atomiques, qui sont accélérés à d’énormes énergies quelque part dans l’univers. Bien que leurs sources ne soient pas encore entièrement comprises, elles sont très probablement associées à certains des environnements les plus extrêmes de l’univers, tels que les trous noirs, les supernovae ou les étoiles à neutrons rotatives (un type d’étoile morte).
Mais parfois, les rayons cosmiques ont une énergie beaucoup plus élevée que d’habitude. Nous le savons depuis 1962, mais nous ne savons toujours pas pourquoi.
Nous ne savons pas non plus d’où vient ce rayonnement cosmique ultra-élevé.
Maintenant, la recherche de l’Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU) a peut-être trouvé la réponse à cette grande question sans réponse en physique.
Les trous noirs supermassifs peuvent être la cause
Foteini Oikonomou, professeur agrégé au Département de physique de NTNU, travaille sur l’affaire. Dans un article récent, elle et ses collègues présentent une explication complètement nouvelle et plausible de ce rayonnement ultra-élevé.
« Nous soupçonnons que ce rayonnement à haute énergie est créé par des vents à partir de trous noirs supermassifs.«
L’auteur principal est le doctorat Domenik Ehlert du même département. L’équipe comprend également le camarade postdoctoral Enrico Peretti de l’Université Paris Cité. Leur travail se concentre sur la physique des astroparticules, qui étudie la relation entre les plus petites particules de l’univers et les plus grands phénomènes de l’univers.
« Nous soupçonnons que ce rayonnement à haute énergie est créé par des vents à partir de trous noirs supermassifs », a déclaré Oikonomou.
Mais qu’est-ce que cela signifie?
Les trous noirs actifs créent des vents
La Voie lactée est le quartier de l’univers où vous et moi vivons. Notre système de soleil et de solaire fait partie de cette galaxie, ainsi que d’au moins 100 milliards d’autres étoiles.
« Il y a un trou noir appelé Sagittaire-a * situé en plein centre de la Voie lactée. Ce trou noir est actuellement en phase calme où il ne consomme aucune étoile, car il n’y a pas assez de matière à proximité », a déclaré Peretti.
Cela contraste avec les trous noirs croissants, supermassifs et actifs qui consomment jusqu’à plusieurs fois la masse de notre propre soleil chaque année.
« Une petite partie du matériau peut être repoussée par la force du trou noir avant qu’il ne soit tiré.
Nous connaissons ces vents gigantesques depuis environ dix ans. Les vents de ces trous noirs peuvent affecter les galaxies. En explosant les gaz, ils peuvent empêcher les nouvelles étoiles de se former, par exemple. C’est assez dramatique en soi, mais Oikonomou et ses collègues ont regardé autre chose, beaucoup plus petit, que ces vents pourraient être la cause de. «
Il est possible que ces vents puissants accélèrent les particules qui créent le rayonnement ultra-haute énergie », a déclaré Ehlert.
Pour comprendre cela, nous devons également expliquer un peu les atomes.
Atomes et énormes quantités d’énergie
Les atomes sont constitués d’un noyau, composé de protons et de neutrons. Ces particules sont constituées de quarks, mais nous n’avons pas besoin d’y entrer en ce moment.
Un ou plusieurs électrons peuvent être trouvés autour de ce noyau dans le soi-disant nuage.
«Le rayonnement ultra-haute énergie se compose de protons ou de noyaux atomiques avec de l’énergie jusqu’à 1020 électrons volts», a expliqué Oikonomou.
« Une particule comme celle-ci, qui est plus petite qu’un atome, contient à peu près autant d’énergie qu’une balle de tennis lorsque Serena Williams le sert à 200 kilomètres par heure.«
Si ce nombre ne signifie rien pour vous, vous devez savoir que dans ce contexte, c’est une quantité absolument énorme d’énergie.
« Une particule comme celle-ci, qui est plus petite qu’un atome, contient à peu près autant d’énergie qu’une balle de tennis lorsque Serena Williams le sert à 200 kilomètres par heure », a déclaré Oikonomou.
Il correspond à environ un milliard de fois plus d’énergie que les particules créées par des chercheurs du grand collisionneur de hadrons en Suisse et en France.
Heureusement, ces rayons cosmiques sont détruits par l’atmosphère terrestre. Lorsqu’ils atteignent le niveau du sol, ils sont aussi inoffensifs que tous les autres rayonnements cosmiques qui nous atteignent à la surface de la Terre.
« Mais pour les astronautes, le rayonnement cosmique est un problème très grave », a déclaré Oikonomou.
Les équipages des compagnies aériennes n’ont pas à s’inquiéter de cela car ils ne volent pas assez haut.
« La principale préoccupation pour les astronautes est le rayonnement cosmique de faible énergie produit par notre propre soleil, car il est beaucoup plus courant. Les rayons que nous étudions sont assez rares pour qu’il soit extrêmement improbable qu’ils traversent un astronaute », a-t-elle déclaré.
Autres suspects
Auparavant, les chercheurs ont cherché à savoir si ces particules de haute énergie proviennent de rafales de rayons gamma, des galaxies qui créent de nouvelles étoiles à un rythme extrêmement élevé, ou des sorties de plasma à partir de trous noirs supermassifs.
Cependant, Oikonomou et ses collègues ont une autre hypothèse.
« Toutes les autres hypothèses sont de très bonnes suppositions – ce sont toutes des sources qui contiennent beaucoup d’énergie. Mais personne n’a fourni que l’une d’entre elles soit la source. C’est pourquoi nous avons décidé d’étudier les vents des trous noirs supermassifs », a déclaré Ehlert.
Coupable? Peut être
Alors, que savons-nous réellement? Est-ce les vents qui créent les particules de haute énergie dans le rayonnement cosmique?
« Lorsque les chercheurs posent des questions comme celle-ci, ils ressentent souvent un sentiment d’excitation et pensent « Oui, cela pourrait être le cas! »«
«Notre réponse est plus un« peut-être »prudent, a déclaré Oikonomou.
Cela ne semble pas particulièrement dramatique. Cependant, lorsque les chercheurs posent des questions comme celle-ci, ils ressentent souvent un sentiment d’excitation et pensent «Oui, c’est peut-être le cas!», Mais cela ne signifie pas que c’est le cas dans ce cas.
« Nous constatons que les conditions liées à ces vents s’alignent particulièrement bien avec l’accélération des particules. Mais nous sommes toujours incapables de prouver que c’est spécifiquement ces vents qui accélèrent les particules derrière le rayonnement cosmique à haute énergie », a déclaré Oikonomou.
Cependant, le modèle que les chercheurs utilisent peut expliquer un aspect spécifique de ces particules que nous ne comprenons toujours pas. Dans une certaine gamme d’énergie, les particules ont une composition chimique que d’autres modèles ne peuvent pas expliquer de manière significative.
«Nous pouvons également tester le modèle en utilisant des expériences de neutrinos», a déclaré Oikonomou.
Cependant, c’est quelque chose pour un article complètement différent.
« Dans les années à venir, nous espérons collaborer avec les astronomes des neutrinos pour tester notre hypothèse », a déclaré Oikonomou. Peut-être qu’ils trouveront alors plus de preuves, d’une manière ou d’une autre.
Référence: Domenik Ehlert, Foteini Oikonomou, Enrico Peretti, Rayons cosmiques ultra-élevés à partir de sorties ultra-rapides de noyaux galactiques actifsAvis mensuels de la Royal Astronomical Society, volume 539, numéro 3, mai 2025, pages 2435–2462, https://doi.org/10.1093/mnras/staf457
Nancy Bazilchuk
Université norvégienne des sciences et de la technologie
nancy.bazilchuk@ntnu.no
Bureau: 91897321
Foteini oikonomou
Université norvégienne des sciences et de la technologie
fotein.oikonomou@ntnu.no
Domenik Ehlert
Université norvégienne des sciences et de la technologie
domenik.ehlert@ntnu.no
Questions fréquemment posées
Quelles sont les sorties ultra-rapides (OVNIS) dans les noyaux galactiques actifs (AGN) et comment sont-ils liés aux rayons cosmiques?
Les OVNIS sont des vents à grande vitesse des trous noirs supermassifs dans les galaxies qui peuvent accélérer les particules, y compris les rayons cosmiques, à des énergies très élevées. Cette recherche suggère que les OVNIS pourraient être des sources importantes de rayons cosmiques ultra-élevés (UHECR), en particulier des protons et des noyaux plus légers.
Qu’est-ce qui limite l’énergie maximale des rayons cosmiques qui s’échappent des OVNIS?
L’énergie maximale des rayons cosmiques qui s’échappent des OVNIS est principalement limitée par des interactions avec des champs de photons intenses de l’AGN, ce qui peut provoquer des processus tels que la photodisintegration. Cela signifie que les noyaux plus lourds, comme le fer, sont plus susceptibles de perdre de l’énergie et d’être incapables de s’échapper à des énergies élevées par rapport à des particules plus légères comme les protons.
Comment les OVNIS peuvent-ils contribuer au flux de rayons cosmiques observé et quelles implications cela a-t-il pour la détection des neutrinos?
Les OVNIS peuvent contribuer au flux de rayons cosmiques observé sur Terre, en particulier dans la région «sous-anéantie» du spectre des rayons cosmiques. Si les OVNIS sont en effet des sources importantes de UHECR, elles devraient produire un flux correspondant de neutrinos à haute énergie, qui pourraient être détectés par les observatoires de neutrinos, fournissant une signature multi-messagers de l’accélération des rayons cosmiques.
