The Astrophysical Journal publie le 2022-09-01 un article dirigé par Quentin Luce (KIT, Allemagne) et Sullivan Marafico (IJCLab), avec des contributions de Jonathan Biteau (IJCLab), Antonio Condorelli (IJCLab) et Olivier Deligny (IJCLab). Cette publication fournit la première description conjointe de la composante protonique en dessous de l’énergie de la cheville, à ~5 EeV, et de celle des noyaux plus lourds à des énergies plus élevées. En supposant une évolution des sources suivant celle de la matière contenue dans les étoiles, les auteurs montrent en particulier que les protons émis par les sources astrophysiques devraient présenter un spectre plus mou que leurs homologues plus lourds. La confirmation d’une telle évolution fournirait un élément de preuve observationnelle d’interactions au sein des sources, façonnant les spectres des rayons cosmiques de très haute énergie qui s’en échappent.
Chapô
Il a été démontré que les interactions des rayons cosmiques de très haute énergie (UHECRs) accélérés dans des environnements astrophysiques spécifiques façonnent le taux de production d’énergie des noyaux différemment de celui des neutrons secondaires s’échappant de la zone de confinement. Ici, nous cherchons à tester un scénario générique d’interactions au sein des sources par une modélisation phénoménologique du flux et de la composition des UHECRs. Nous étudions un modèle dans lequel les nucléons et les noyaux suivent différentes distributions d’énergie et l’ajustons au spectre d’énergie de toutes les particules, au spectre des protons en dessous de l’énergie de cheville et aux distributions des profondeurs maximales de gerbe au-dessus de cette énergie, telles qu’elles sont déduites à l’Observatoire Pierre Auger. Nous obtenons que les données peuvent être reproduites en utilisant une distribution spatiale des sources qui suit la densité de la matière extragalactique à la fois à l’échelle locale et à grande échelle, fournissant ainsi un ensemble réaliste de contraintes pour les mécanismes d’émission dans les accélérateurs cosmiques, pour leur énergétique et pour les abondances des éléments à l’échappement de leurs environnements. Alors que l’augmentation quasi mono-élémentaire du nombre de masse des rayons cosmiques observée sur Terre depuis ~2 EeV jusqu’aux énergies les plus élevées requiert des noyaux accélérés avec un indice spectral dur, le flux déduit de protons jusqu’à ~0.6 EeV requiert pour cette population un indice spectral significativement plus faible que celui généralement obtenu jusqu’à présent. Nous démontrons que la modélisation des données UHECR en deçà et au delà de la cheville corrobore la conjecture d’interactions à la source dans un cadre statistique robuste, bien que poussant le mécanisme à l’extrême.