Les rayons gamma de ce vestige de supernova ont été vus par des télescopes depuis 2007, mais une lumière exceptionnellement énergétique n’a été détectée qu’en 2020, lorsqu’elle a été captée par l’observatoire HAWC au Mexique, suscitant l’intérêt des scientifiques à la recherche de PeVatrons galactiques. Lorsque les rayons gamma atteignent notre atmosphère, ils peuvent produire des gerbes de particules chargées qui peuvent être mesurées par des télescopes au sol. Avec les données de HAWC, les scientifiques ont pu remonter et déterminer que ces gerbes provenaient de rayons gamma émanant du reste de la supernova. Mais ils n’ont pas été en mesure de dire si la lumière était générée par des protons ou des électrons rapides, qui peuvent également émettre des rayons gamma, ainsi que des rayons X et des ondes radio de moindre énergie.
Pour prouver que les protons PeV étaient les coupables, l’équipe de recherche de Fang a compilé des données sur une large gamme d’énergies et de longueurs d’onde qui avaient été collectées par 10 observatoires différents au cours de la dernière décennie. Puis ils se sont tournés vers des simulations informatiques. En ajustant différentes valeurs, comme la force du champ magnétique ou la densité du nuage de gaz, les chercheurs ont tenté de reproduire les conditions nécessaires pour tenir compte de toutes les différentes longueurs d’onde de la lumière qu’ils avaient observées. Peu importe ce qu’ils ont ajusté, les électrons ne pouvaient pas être la seule source. Leurs simulations ne correspondraient aux données d’énergie les plus élevées que si elles incluaient des protons PeV comme source de lumière supplémentaire.
« Nous avons pu exclure que cette émission soit principalement produite par des électrons car le spectre que nous avons obtenu ne correspondait tout simplement pas aux observations », explique Henrike Fleischhack, astronome à l’Université catholique d’Amérique qui avait tenté cette analyse pour la première fois il y a deux ans. avec uniquement le jeu de données HAWC. Faire une analyse à plusieurs longueurs d’onde était essentiel, dit Fleischhack, car cela leur a permis de montrer, par exemple, que l’augmentation du nombre d’électrons à une longueur d’onde entraînait un décalage entre les données et la simulation à une autre longueur d’onde, ce qui signifie la seule façon d’expliquer le spectre complet de la lumière était avec la présence de protons PeV.
« Le résultat a nécessité une attention très particulière au budget énergétique », explique David Saltzberg, astrophysicien à l’Université de Californie à Los Angeles qui n’a pas participé aux travaux. « Ce que cela montre vraiment, c’est qu’il faut de nombreuses expériences et de nombreux observatoires pour répondre aux grandes questions. »
Pour l’avenir, Fang espère que d’autres PeVatrons restants de supernova seront trouvés, ce qui les aidera à déterminer si cette découverte est unique ou si tous les cadavres stellaires ont la capacité d’accélérer les particules à de telles vitesses. « Cela pourrait être la pointe de l’iceberg », dit-elle. Des instruments prometteurs comme le Cherenkov Telescope Array, un observatoire à rayons gamma avec plus de 100 télescopes en cours d’installation au Chili et en Espagne, pourraient même être en mesure de localiser les PeVatrons au-delà de notre propre galaxie.
Saltzberg pense également que les expériences de nouvelle génération devraient être en mesure de voir les neutrinos (minuscules particules neutres qui peuvent également résulter de la désintégration des pions) provenant des restes de supernova. Les détecter avec l’IceCube Neutrino Observatory, qui traque leurs traces au pôle Sud, serait encore plus une preuve irréfutable que ces sites sont des PeVatrons car cela indiquerait la présence de pions. Et Fang est d’accord : « Ce serait fantastique si des télescopes comme IceCube pouvaient voir les neutrinos directement à partir des sources parce que les neutrinos sont des sondes propres des interactions protoniques – ils ne peuvent pas être fabriqués par des électrons.
En fin de compte, trouver les PeVatrons de notre univers est crucial pour comprendre comment les reliques de la mort stellaire ouvrent la voie à la naissance de nouvelles étoiles et comment les particules les plus énergétiques contribuent à alimenter ce cycle cosmique. Les rayons cosmiques influencent la pression et la température, entraînent les vents galactiques et ionisent les molécules dans les régions fertiles en étoiles comme les restes de supernova. Certaines de ces étoiles peuvent continuer à former leurs propres planètes ou un jour exploser en supernovas elles-mêmes, recommençant le processus à zéro.
« L’étude des rayons cosmiques est presque aussi importante pour comprendre les origines de la vie que l’étude des exoplanètes ou de toute autre chose », déclare Kerr. « C’est tout un système énergétique qui est très compliqué. Et nous venons juste de le comprendre.
