Le CALorimetric Electron Telescope (CALET), à bord de l’installation exposée Kibo de la Station spatiale internationale (EF), est en mission pour mesurer le flux de particules de rayons cosmiques depuis 2015. Dans une nouvelle étude, une équipe internationale de chercheurs rapporte les résultats de une mesure directe du spectre de l’hélium des rayons cosmiques à partir des données recueillies par CALET. Contrairement à la loi de puissance unique que l’on croyait auparavant, l’analyse des données de flux recueillies entre 2015 et 2022 révèle que la distribution d’énergie des noyaux d’hélium des rayons cosmiques suit une loi de puissance double brisée.
Une grande partie de notre compréhension de l’Univers et de ses phénomènes mystérieux est basée sur des interprétations théoriques. Pour approfondir la compréhension des objets lointains et des phénomènes énergétiques, les astronomes étudient les rayons cosmiques, qui sont des particules chargées de haute énergie composées de protons, d’électrons, de noyaux atomiques et d’autres particules subatomiques. De telles études ont révélé que les rayons cosmiques contiennent tous les éléments que nous connaissons du tableau périodique, suggérant que ces éléments proviennent d’étoiles et d’événements à haute énergie tels que les supernovae. De plus, en raison de leur nature chargée, la trajectoire des rayons cosmiques à travers l’espace est influencée par les champs magnétiques des phénomènes et des objets interstellaires.
Des observations détaillées des rayons cosmiques peuvent donc non seulement éclairer les origines de ces particules, mais également décoder l’existence d’objets et de phénomènes de haute énergie tels que les restes de supernova, les pulsars et même la matière noire. Afin de mieux observer les rayonnements à haute énergie, le Japon, l’Italie et les États-Unis ont créé en collaboration le télescope calorimétrique à électrons (CALET) sur la Station spatiale internationale en 2015.
En 2018, les observations des spectres protoniques des rayons cosmiques de 50 GeV à 10 TeV ont révélé que le flux de particules de protons aux hautes énergies était significativement plus élevé que prévu. Ces résultats s’écartent des modèles conventionnels d’accélération et de propagation des rayons cosmiques qui supposent une «distribution de loi de puissance unique», dans laquelle le nombre de particules diminue avec l’augmentation de l’énergie.
Par conséquent, dans une étude publiée en 2022, l’équipe CALET, comprenant des chercheurs de l’Université de Waseda, a découvert que les protons des rayons cosmiques dans la gamme d’énergie de 50 GeV à 60 TeV suivaient une “loi du double pouvoir de coupure”. Cette loi suppose que le nombre de particules de haute énergie augmente initialement jusqu’à 10 TeV (appelé durcissement spectral) puis diminue avec l’augmentation de l’énergie (appelé adoucissement spectral).
Poussant ces observations plus loin, l’équipe a maintenant trouvé des schémas de durcissement et d’adoucissement spectraux similaires dans le spectre de l’hélium des rayons cosmiques capturés sur une large gamme d’énergie, de 40 GeV à 250 TeV.
---L’étude, publiée dans la revue Lettres d’examen physique le 27 avril 2023, a été dirigé par le professeur agrégé Kazuyoshi Kobayashi de l’Université Waseda, au Japon, avec des contributions du professeur émérite Shoji Torii, chercheur principal du projet CALET, également affilié à l’Université Waseda, et de l’assistant de recherche Paolo Brogi de l’Université de Sienne en Italie.
« CALET a observé avec succès la structure spectrale énergétique de l’hélium des rayons cosmiques, en particulier le durcissement spectral à partir d’environ 1,3 TeV et la tendance à l’adoucissement à partir d’environ 30 TeV », explique Kobayashi.
Ces observations sont basées sur des données recueillies par CALET à bord de la Station spatiale internationale (ISS) entre 2015 et 2022. Représentant la plus grande plage d’énergie à ce jour pour les particules cosmiques du noyau d’hélium, ces observations fournissent une preuve supplémentaire de la déviation du flux de particules à partir d’une puissance unique. – loi type. Les chercheurs ont remarqué que l’écart par rapport à la loi de puissance attendue était supérieur à huit écarts-types par rapport à la moyenne, ce qui indique une très faible probabilité que cet écart se produise par hasard.
Notamment, le durcissement spectral initial observé dans ces données suggère qu’il peut y avoir des sources ou des mécanismes uniques responsables de l’accélération et de la propagation des noyaux d’hélium à haute énergie. La découverte de ces caractéristiques spectrales est également étayée par les observations récentes d’Explorer de particules de matière noire et remet en question notre compréhension actuelle de l’origine et de la nature des rayons cosmiques.
“Ces résultats contribueraient de manière significative à la compréhension de l’accélération des rayons cosmiques dans les restes de supernova et du mécanisme de propagation”, déclare Torii.
Ces découvertes améliorent sans aucun doute notre compréhension de l’Univers. Alors même que nous nous préparons pour des missions habitées vers la Lune et Mars, la distribution d’énergie des particules de rayons cosmiques peut également fournir des informations supplémentaires sur l’environnement de rayonnement dans l’espace et ses effets sur les astronautes.
