Découvrez IceTop et les rayons cosmiques
IceTop est la composante de surface de l’observatoire de neutrinos IceCube. Initialement conçu comme expérience de soutien à la recherche de neutrinos par IceCube, IceTop s’avère être également un puissant détecteur pour l’observation des rayons cosmiques.
IceTop est un ensemble de 81 stations déployées sur un kilomètre carré au dessus de la calotte antarctique. Chaque station est positionnée au-dessus de l’une des « cordes » d’IceCube et contient deux réservoirs d’eau gelée, avec à l’intérieur deux senseurs ou DOMs (de l’anglais Digital Optical Modules, signifiant modules optiques numériques).
Les rayons cosmiques sont constitués de particules chargées de hautes énergies et bombardent la Terre en permanence dans toutes les directions. Ces particules proviennent de l’espace et voyagent à des vitesses approchant celle de la lumière. La plupart d’entre elles sont des noyaux atomiques, en particulier des protons, mais d’autres peuvent être des électrons, des positrons (antiparticule de l’électron) ou d’autres particules subatomiques.
Lorsque ces particules pénètrent l’atmosphère, elles interagissent avec leur environnement pour produire des cascades électromagnétiques contenant des millions de particules secondaires qui, elles, rejoindront la surface terrestre. IceTop a été conçu pour détecter ces particules secondaires. La détection combinée d’un ensemble de particules en provenance d’une même cascade permet d’estimer l’énergie et la direction du rayon cosmique ayant initié cette dernière.
IceTop peut détecter des rayons cosmiques dont l’énergie se situe entre 100 téraélectronvolt (TeV) et 1 exaélectronvolt (EeV). Qu’il soit utilisé seul ou en conjonction avec IceCube, ce détecteur de surface nous permet d’en apprendre plus sur le spectre énergétique des rayons cosmiques, la compositions de ces derniers (i.e. la proportion de proton ou de noyaux atomiques lourds dans le flux mesuré), et la distribution de leur direction d’arrivée.
Que peut-on apprendre des rayons cosmiques?
Saviez-vous que les particules les plus énergétiques observées jusqu’à maintenant sont des rayons cosmiques? Ceux-ci peuvent atteindre des énergies dépassant 10^20 électronvolts, soit l’énergie d’une balle de base-ball lancée à 160 km/h! En fait, si cette même balle pouvait être accélérée à la vitesse de ces rayons cosmiques, elle contiendrait assez d’énergie pour subvenir aux besoins de la population terrestre pendant un million d’années!
En étudiant les rayons cosmiques, nous sondons les environnements les plus extrêmes de notre univers. Mais malheureusement, les rayons cosmiques sont formés de particules chargées, qui sont aisément déviées de leur trajectoire initiale sous l’influence des champs magnétiques de notre galaxie, et au-delà. Ces champs magnétiques randomisent la direction d’arrivée des rayons cosmiques, ce qui nous empêche d’en apprendre plus sur leur origine.
Les rayons cosmiques galactiques sont produits par des objets célestes situés un peu partout dans la Voie Lactée. Ces particules étant chargées, elles sont en mesure de produire du rayonnement électromagnétique (i.e. de la lumière) tout au long de leur périple dans notre galaxie. Les rémanents de supernova, comme la Nébuleuse du Crabe, sont des exemples connus de sources produisant des rayons cosmiques. Cela est prouvé par le rayonnement émis par ces mêmes rayons lors de leur passage au travers des champs magnétiques de ces rémanents.
Certains scientifiques ont émis l’hypothèse que d’autres objets célestes, dans notre galaxie ou au-delà, pourraient générer des rayons cosmiques de très hautes énergies. La plupart de ces sources demeurent hypothétiques encore aujourd’hui car nous ne savons que très peu de choses sur l’origine ou les propriétés des rayons cosmiques de très hautes énergies. Ceci concerne particulièrement les rayons cosmiques d’origine extragalactique, qui ne sont détectés que très rarement (voir la figure ci-dessus).
Des détecteurs de très grande envergure, tels qu’IceCube et IceTop, peuvent observer un nombre significatif de ces événements rares chaque année, et ainsi étudier les propriétés physiques des rayons cosmiques de très hautes énergies. IceCube cherche également à mieux comprendre l’origine de ces particules à l’aide de neutrinos (apprenez-en plus sur ce sujet ici).