juillet 6, 2022

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Les rebondissements des rayons cosmiques à ultra haute énergie

Titre:Flux diffus de rayons gamma des amas de galaxies

Auteurs: Saeb Hussein, Rafael Alves Batista, Elisabeth de Gouvia Dal Pino, Klaus Dolag

Fondation Premier Auteur : Institut d’astronomie, de géophysique et des sciences de l’atmosphère (IAG), Université de Sao Paulo (USP), Sao Paulo, Brésil

condition: Ouvert Accéder à ArXiv

Accélérateurs de particules les plus énergétiques

Beaucoup de gens ont entendu parler Grand collisionneur de hadrons, ou d’autres accélérateurs terrestres, mais qu’en est-il des accélérateurs de particules astrophysiques ? Dans l’espace, les particules peuvent être accélérées à des énergies extrêmement élevées, parfois jusqu’à 10 000 fois supérieures aux énergies terrestres ! Mais que sont ces accélérateurs à très haute énergie et comment les trouve-t-on ?

Les particules chargées accélérées sont appelées rayons cosmiques à ultra-haute énergie (UHECR), qui sont généralement des protons ou parfois des noyaux plus lourds. Les UHECR entrent en collision les uns avec les autres ou avec des photons, ce qui donne les photons les plus énergétiques de notre univers, rayons gamma.

Nous pouvons repérer les rayons gamma avec des télescopes sur Terre, mais nous ne pouvons pas toujours retracer tous les photons que nous voyons jusqu’à une seule source. Ceux qui ne peuvent pas être retracés à une seule source proviennent d’une variété de longueurs d’onde et de directions et sont nommés rayons gamma diffusés. Pour étudier la source de ces rayons gamma, nous examinons les classes de sources qui peuvent produire des UHECR, et donc des rayons gamma. L’une de ces classes sources possibles est galaxies étoiléestandis que les autres sont des amas de galaxies, ce que les auteurs d’aujourd’hui étudient dans leur article.

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Les auteurs d’aujourd’hui décrivent un modèle qui étudie les UHECR des amas de galaxies. Les UHECR sont piégés dans le champ magnétique de l’amas et accélérés pour produire des rayons gamma de très haute énergie. En simulant un ensemble possible d’amas à différentes distances, les auteurs peuvent prédire combien de rayons gamma peuvent être vus sur Terre. Ensuite, les auteurs ont pu comparer le flux de rayons gamma diffus et le nombre de rayons gamma pouvant provenir des amas.

Que deviennent les rayons cosmiques à l’intérieur des amas de galaxies ?

Figure 1: Simulation du chemin 2 de différents rayons cosmiques traversant un essaim. Les rayons cosmiques sont des particules chargées, ils suivent donc les lignes de champ magnétique, formant les motifs toroïdaux que nous voyons ici. L’échelle de couleurs montre l’intensité du champ magnétique du groupe, l’intensité du champ étant plus grande dans les couleurs vertes à bleues. Figure 1 dans l’article.

Les particules chargées dans le champ magnétique subiront une force selon Loi des forces de Lorentz, faisant tourner ces particules et suivre les lignes de champ magnétique. À l’intérieur du bloc, où le champ magnétique n’est pas constant, cela peut provoquer des chemins fous car les rayons cosmiques sont piégés à l’intérieur du bloc et accélèrent. La figure 1 montre les chemins que peuvent emprunter deux rayons cosmiques lorsqu’ils traversent un réseau.

Lorsque les rayons cosmiques voyagent dans la foule, ils sont accélérés à des énergies élevées et finissent par interagir, produisant des photons. Pour que ces rayons cosmiques deviennent des UHECR, ils doivent être piégés à l’intérieur de l’amas suffisamment longtemps pour accélérer à une énergie suffisamment élevée pour produire des rayons gamma. Mais une fois qu’ils atteignent des énergies ultra-élevées et qu’ils interagissent et produisent des photons, les photons gamma peuvent s’échapper et voyager pour nous atteindre.

Un regard vers l’avenir – ce que l’on peut voir avec les futurs télescopes à rayons gamma

À ce stade de l’histoire, cet UHECR a été produit, accéléré, interagi et produit des rayons gamma au sein d’un réseau. Mais maintenant, les auteurs veulent connaître la source du flux de rayons gamma Tout Les amas peuvent sembler ensemble, et si cela peut expliquer la diffusion diffuse des rayons gamma observée.

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Pour en tenir compte, les auteurs ont examiné la distribution de groupes de nombreuses masses différentes et ont découvert que le plus grand nombre de rayons gamma provenait de groupes dont les masses étaient comprises entre 1013 et 1015e Double la masse du soleil. En regardant tous ces groupes, et comment ils se répartissent dans le ciel, les auteurs tiennent également compte de leur éloignement de nous et redshift Pour trouver le flux total que nous nous attendrions à voir sur Terre. Cependant, nous nous attendons également à voir certains rayons gamma interagir avec Lumière de fond extragalactique (EBL) En route vers nous et se perdre (c’est ce qu’on appelle atténuation). Le modèle des auteurs tient compte de tout cela, et le résultat est illustré à la figure 2.

Le diagramme de flux d'énergie (la quantité d'énergie par seconde par unité de surface) attendue sur la Terre par rapport à l'énergie.  L'alimentation fonctionne de 10 ^ 10 à 5 fois 10 ^ 14 volts.  Sur le graphique, il y a une zone rose, qui montre la plage de modèles autorisée.  Ceci est principalement plat à des énergies allant jusqu'à 10 ^ 12 volts, mais chute rapidement par la suite.  Il est recouvert de points noirs montrant des mesures de rayons gamma jusqu'à 10 ^ 12 eV, ce qui chevauche le modèle à certains endroits.  Il existe également 4 courbes montrant la sensibilité de 3 télescopes à rayons gamma différents, qui est inférieure au modèle à certaines énergies.
Figure 2: Ce graphique montre le débit en fonction de l’énergie calculée dans ce modèle. La bande rose montre ce modèle, tandis que les points noirs montrent les données mesurées avec Fermi lat. Les courbes bleue, verte et rouge montrent la sensibilité de 3 télescopes différents aux rayons gamma actuels ou entrants, ce qui signifie que les flux au-dessus de ces lignes doivent être visibles pour ces télescopes. Il s’agit du panneau de droite de la figure 5 de l’article.

Cette figure montre le résultat le plus intéressant de cet article Les amas pourraient être responsables de l’ensemble du flux de rayons gamma diffus que nous observons aux hautes énergies !

Dans la figure, le flux attendu du modèle peut être n’importe où dans la région rose (cela forme une plage en raison d’un ensemble de valeurs possibles de certaines quantités dans le modèle). Les points noirs montrent les rayons gamma diffusés mesurés, qui se situent dans la région rose à des énergies supérieures à 1011 eV, ce qui signifie que des amas de galaxies à ces énergies peuvent expliquer l’ensemble du flux diffus.

Les courbes rouge et bleue montrent la sensibilité des deux ( Réseau de télescopes Cherenkov (CTA)Et le LHAASO) télescopes à rayons gamma au sol, ce qui signifie que tout flux au-dessus de ces courbes sera visible par ces télescopes. LHAASO récemment découvert Plusieurs sources de rayons gamma à très haute énergie sont en construction et CTA est un futur télescope passionnant. Cela signifie que ces nouveaux télescopes peuvent étudier les rayons gamma provenant des amas, et si ce modèle est correct, ces télescopes devraient voir une partie du flux diffus de rayons gamma provenant des amas !

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C’est particulièrement excitant avec les futurs télescopes à rayons gamma – en les utilisant, les astronomes peuvent explorer la source de certaines des particules les plus énergétiques de l’univers. En trouvant la source de ces rayons gamma, les astronomes peuvent en apprendre davantage sur la nature de leurs sources et les processus qui s’y déroulent.

Astrobite Edité par Lenny Saade

Crédit image en vedette : Figure 1 de cet article

À propos de Jesse Thwaites

Jesse est doctorant au IceCube Particle Astrophysics Center dans le Wisconsin, à l’Université du Wisconsin-Madison. Les sources astrophysiques potentielles de neutrinos de haute énergie sont étudiées par l’astrophysique multimodale. En dehors de la physique, elle joue de la trompette et aime passer du temps à l’extérieur, en particulier le ski et le vélo.