Les rayons cosmiques sont des particules de haute énergie qui proviennent de l’espace et qui bombardent en permanence notre planète Terre. Ils sont générés par des phénomènes astronomiques tels que les étoiles, supernovæ, les trous noirs et d’autres phénomènes cosmiques cataclysmiques.

Dans l’espace, les rayons cosmiques peuvent avoir des effets dévastateurs sur l’ADN des cellules vivantes et peuvent être dangereux pour les astronautes. Mais sur Terre, une grande partie ces rayons est arrêtée par le champ magnétique terrestre et son atmosphère, ce qui nous protège en grande partie de leur impact direct.

La plupart des rayons cosmiques que reçoit la Terre proviennent du Soleil, mais d’autres particules cosmiques détectées proviennent de la Voie Lactée et d’autres galaxies. Sur ce, Les rayons cosmiques peuvent nous renseigner sur l’espace et l’univers. Ainsi, au XXe siècle, les rayons cosmiques ont aidé les scientifiques à découvrir l’antimatière et le muon, la première preuve de la présence de particules subatomiques au-delà du proton, du neutron et de l’électron.

Les rayons cosmiques peuvent également nous renseigner sur la composition chimique et physique de l’univers, sur la façon dont l’univers a changé au fil du temps et ce qui se passe autour des trous noirs supermassifs et au cœur des étoiles qui explosent.

Ces particules arrivant de l’espace sont à 89 % des protons (des noyaux d’hydrogène, l’élément le plus léger et le plus répandu dans l’univers), et environ 10% sont des noyaux d’hélium, le reste est constitué de noyaux plus lourds.   Lorsqu’ils arrivent sur Terre, ils entrent en collision avec les noyaux des atomes de la haute atmosphère, créant davantage de particules dites secondaires, principalement des pions. Ces pions chargés peuvent se désintégrer rapidement, émettant d’autres particules appelées muons.

Représentation artistique d’une désintégration d’un rayon cosmique au-dessus du ciel de l’Oukaimeden.

Contrairement aux pions, les muons n’interagissent pas fortement avec la matière et peuvent voyager à travers l’atmosphère pour pénétrer sous terre.

Les énergies des rayons cosmiques primaires vont d’environ 1 GeV (l’énergie d’un petit accélérateur de particules), jusqu’à 10⁸ TeV (bien plus élevée que l’énergie du faisceau du Grand collisionneur de hadrons). La vitesse à laquelle ces particules arrivent au sommet de l’atmosphère diminue avec l’augmentation de l’énergie.

Les rayons cosmiques de plus basse énergie arrivent du Soleil dans un flux de particules chargées connu sous le nom de vent solaire, mais il est rendu difficile de déterminer l’origine des particules de plus haute énergie car elles se tordent dans les champs magnétiques de l’espace interstellaire. Toutefois, des indices sont apparus grâce à l’étude des rayons gamma à haute énergie provenant de l’espace. Ceux-ci sont bien moins nombreux que les rayons cosmiques chargés, mais étant électriquement neutres, ils ne sont pas influencés par les champs magnétiques. Ils génèrent des gerbes de particules secondaires détectables sur Terre et qui renvoient vers le point d’origine des rayons gamma.

Mais d’où viennent ces particules ?

Découvrir l’origine des rayons cosmiques est une tâche plus difficile, car lorsque les particules chargées traversent l’espace, leurs trajectoires sont affectées par les puissants champs magnétiques qui jonchent l’espace interstellaire et intergalactique. Ainsi, découvrir exactement d’où proviennent les rayons cosmiques les plus énergétiques est un Graal de la physique depuis leur découverte.

Les sources suspectées proviennent de certains des phénomènes les plus violents de l’univers, des objets qui agissent comme des accélérateurs massifs (bien plus puissants que n’importe quel autre sur Terre) pour envoyer les particules à travers l’univers à la vitesse de la lumière !

Les rayons cosmiques les plus énergétiques, pensent les scientifiques, peuvent émaner des supernovas, de sursauts gamma, de galaxies qui s’écrasent et d’une classe d’objets connus sous le nom de noyaux galactiques actifs, à savoir les noyaux de trous noirs des galaxies massives. Il s’agit d’un type d’objet identifié par les observatoires IceCube, MAGIC et Fermi comme la première source extragalactique caractérisée de rayons cosmiques provenant de noyaux galactiques actifs.

Lorsqu’un jet provenant d’un noyau galactique actif pointe directement vers la Terre, cela classe l’objet comme un blazar. Ce jet s’éclaire parfois pendant des périodes allant de quelques minutes à plusieurs mois, devenant jusqu’à 10 fois plus lumineux. La clé pour identifier le blazar comme source de rayons cosmiques est le neutrino de haute énergie. Il s’agit d’une particule presque sans masse et non chargée qui se déplace en ligne droite depuis son lieu d’origine. IceCube, de loin le plus grand détecteur de particules au monde, a été construit dans le but de détecter les neutrinos de haute énergie générés dans des accélérateurs naturels situés à des millions, voire des milliards d’années-lumière.

Credit : IceCube

Lorsqu’un neutrino s’écrase sur un proton, il crée un muon qui, à son tour, crée une traînée de lumière bleu pâle lors du voyage à travers un milieu tel que la glace profonde de l’Antarctique qui constitue le détecteur IceCube. Lorsqu’un tel événement se produit dans ou à proximité d’IceCube, la lumière est détectée et cartographiée par la grille de glace de l’observatoire composée de 5160 capteurs, fournissant un pointeur vers la région de l’espace d’où le neutrino est originaire.

Lorsqu’IceCube détecte les neutrinos de plus haute énergie, comme il l’a fait le 22 septembre 2017, il envoie automatiquement en moins d’une minute une alerte publique aux observatoires du monde entier pour qu’ils regardent dans la direction d’où vient le neutrino.

Ainsi, les sources de neutrinos sont aussi des sources de rayons cosmiques. Ces dernières associées à des événements de neutrinos ont déjà été identifiées à plusieurs reprises, notamment par Ice Cube et son prédécesseur au pôle Sud, AMANDA.

Et l’astronome amateur dans tout ça ?

Pendant nos sessions d’astrophotographie, surtout lors du traitement de nos acquisitions, on observe fréquemment des tâches blanches sur nos images.

Quelques images illustratives du phénomène

En fait, ces marques se produisent lorsqu’un rayon cosmique interagit avec le capteur de nos caméras astronomique, et la ligne blanche n’est que la manifestation de cette interaction !

L’apport des astronomes amateurs à travers ce phénomène ne s’arrête pas à ce stade. En effet, chaque astrophotographe amateur peut aller au-delà du constat des impacts des rayons cosmiques sur son capteur, et ce en recourant aux coopérations pro/am.

L’astronomie est un domaine où la collaboration entre professionnels et amateurs ne peut être que fructueuse. En effet, les astronomes professionnels peuvent bénéficier de l’observation de nombreux phénomènes célestes par les amateurs qui se comptent en plusieurs centaines de milliers à travers le monde, tandis que les amateurs peuvent bénéficier de l’expertise et des ressources des professionnels pour améliorer leurs observations et leur compréhension de l’univers.

J’ai eu l’opportunité, grâce à notre collaboration Pro/Am avec l’université Kadi Ayyad et l’observatoire de l’Oukaimeden supervisée par le Professeur Z. Benkhaldoune, de rejoindre en mars 2022 le groupe GRANDMA et de prendre part à diverses missions de détection des contreparties optiques de plusieurs sursauts gamma liés à des rayons cosmiques. Le 28 mars 2024, le détecteur IceCube à enregistré un signal lié à une interaction de neutrino avec ses capteurs. Une alerte portant le code Icecube-240327B a immédiatement été envoyée aux observatoires au niveau mondial.

J’ai reçu ladite alerte via le réseau GRANDMA sous le code 4FGLJ0555.9+0030 dans le réseau grandma et j’ai pu effectuer une observation le 30 mars depuis notre observatoire ASO. j’étais content de constater que j’ai pu immortaliser la contrepartie optique liée à la source génitrice du signal objet de l’alerte !

Integration de 10 images de 180s en filtre L.

La magnitude du signal détecté est de 21,93 !

Voici une comparaison du même champ depuis l’image empilée faite via notre observatoire ASO (à droite) par rapport au logiciel Aladin (à gauche) qui s’appuie sur des images et des catalogues d’objets astronomiques provenant de diverses sources professionnelles à travers le monde pour permettre la recherche de données astronomiques.

L’engagement des astronomes amateurs peut contribuer à approfondir la compréhension des phénomènes célestes tels la détections des contreparties des rayons cosmiques ce qui permet d’affiner l’évaluation de leur distance et de leur origine. Cette collaboration entre professionnels et amateurs peut également stimuler l’intérêt du public pour la science et la recherche en astronomie.

Comment s’y prendre :

Le groupe GRANDMA a mis à disposition des astronomes amateurs qui désirent faire de l’astro-science, une plateforme nommée Kilonova Catcher.

L’écran d’accueil du site KNC

 Le principe est simple, il suffit de s’y inscrire pour recevoir régulièrement des alertes de détections des détecteurs IceCube et ceux du satellite SWIFT de la NASA spécialisé dans la détection des GRB et Kilonova.

exemple d’une alerte

il suffit alors de pointer son télescope aux coordonnées spécifiés pour effectuer une séance d’observation (généralement 15 images par filtre), de prétraiter les acquisitions , puis d’effectuer un empilement avant d’envoyer les images brutes calibrées et l’integration vers la plateforme dédiée dans le site.

Alors, bonne chasse !