Une théorie résout le mystère de l'origine des particules les plus énergétiques de l'Univers

Après plus d’un demi-siècle, un mystère cosmique tenace semble enfin avoir été éclairci : l’origine des rayons cosmiques d’ultra haute énergie, aussi appelés zetta-particules.

Des particules record

Considérées comme les phénomènes les plus énergétiques de l’Univers connu, les rayons cosmiques d’ultra haute énergie voyagent à travers l’espace interstellaire à des vitesses proches de celle de la lumière.

L’énergie portée par la particule « Oh-My-God », captée en 1991 par le détecteur américain HiRes, avait été estimée à 50 joules. Une valeur des dizaines de millions de fois supérieure à celle des particules subatomiques accélérées dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN, en faisant encore aujourd’hui le rayon cosmique le plus puissant jamais détecté.

Si leur origine reste discutée, de nouveaux travaux menés par Glennys Farrar, de l’université de New York, proposent une explication solide, qui pourrait être appuyée par de futures observations réalisées à l’aide de nos instruments actuels, ou la réanalyse de données existantes.

Détaillée dans la revue Physical Review Letters, la nouvelle théorie postule que les rayons cosmiques d’ultra haute énergie sont étroitement liés aux flux magnétiques turbulents provoqués par les collisions violentes d’étoiles à neutrons, et expulsés juste avant la fusion de ces astres remarquablement denses, donnant finalement naissance à un trou noir.

Image montrant la collision simulée de deux étoiles à neutrons. Les deux astres perdent rapidement de l’énergie en émettant des ondes gravitationnelles et commencent à fusionner après environ trois orbites (moins de 8 millisecondes). Un phénomène qui amplifie momentanément leurs champs magnétiques avant que la formation d’un trou noir ne les réorganise, produisant finalement des structures capables de supporter les jets alimentant les sursauts gamma de courte durée — © NASA / AEI / ZIB / M. Koppitz and L. Rezzolla

Un nouvel outil

Selon la chercheuse, il s’agit de la première théorie à même d’expliquer la corrélation étroite entre l’énergie monstrueuse de ces particules et leur charge électrique.

« Nous disposons d’un nouvel outil pour comprendre les événements les plus cataclysmiques de l’Univers, connus pour créer de nombreux éléments précieux ou exotiques, tels que l’or, le platine, l’uranium, l’iode et le xénon », souligne Farrar.

Sa confirmation impliquerait la mise en évidence de signaux révélateurs de la présence de xénon ou de tellure dans les données relatives aux rayons cosmiques d’ultra haute énergie, ou d’ondes gravitationnelles caractéristiques associées aux neutrinos de très haute énergie provenant de tels événements.

Par Yann Contegat, le 7 mars 2025