Exploration multi-messager de l’origine des rayons cosmiques – MICRO

L'identification des sources de rayons cosmiques à ultra haute énergie (RCUHE) est l'une des questions les plus prégnantes en astrophysique des hautes énergies. L'accumulation d’un nombre de plus en plus élevé de données de haute qualité, obtenues principalement par l'observatoire Pierre Auger, a radicalement changé notre compréhension de l'univers des hautes énergies, sans toutefois révéler les sources de rayons cosmiques. Le projet proposé traite la question de l’origine des RCUHE et vise à identifier les classes de sources les mieux corrélées avec les observations existantes (directions d’arrivée, spectre en énergie et composition en masse). La principale nouveauté apportée par le projet MICRO consiste en une étude complète des sources transitoires, en modélisant a) les classes de sources sélectionnées, b) les interactions hadroniques au sein de la source, c) la propagation des astroparticules jusqu’à la Terre, afin de prédire le ciel de RCUHE en fonction de l'énergie et de la masse du primaire. Les sources de RCUHE doivent pouvoir confiner les rayons cosmiques dans une région suffisamment étendue et magnétisée pour les accélérer jusqu’aux énergies observées, ce qui impose en outre une luminosité magnétique minimale. Peu de sources astrophysiques, voire aucune, sont capables de présenter une telle luminosité dans la bande électromagnétique sur une longue période. C’est ce qui motive les chercheurs proposant le projet MICRO à étudier dans le détail les sources transitoires hébergées par des galaxies à noyaux actifs et à flambée d'étoiles. Les anisotropies des RCUHE sur une échelle angulaire intermédiaire peuvent nous renseigner sur la direction et le flux des sources candidates les plus proches ou les plus lumineuses par rapport à un fond isotrope résultant de la contribution des objets de plus faible luminosité. Cette dernière composante peut être estimée à partir de contraintes sur les fonctions de luminosité des sources candidates en fonction de leur décalage vers le rouge. Le flux absolu de RCUHE de chaque source résolue peut être quant à lui déterminé relativement à sa contribution au spectre de RCUHE sur l’ensemble du ciel, soulignant ainsi l’importance des contraintes combinant directions d'arrivée et spectre mesuré. Outre ces contraintes, la composition nous renseigne sur la distribution en distance des sources, car les pertes d'énergie d'un RCUHE le long de son parcours dépendent de sa nature. Ainsi, l'ajustement combiné des modèles de sources transitoires aux données de direction d'arrivée, du spectre et de composition permettra de contraindre la direction, la distance et le flux absolu des sources candidates. Les objectifs spécifiques au projet MICRO sont d’apporter une contribution originale pour répondre à la question fondamentale de l’identification des sources de RCUHE. Ils consistent à étudier comment les signatures de type transitoire (sursauts gamma, éruptions d’AGN) s’accordent avec les données mesurées sur les rayons cosmiques, si les observables actuelles peuvent contraindre la distribution spatiale des sources et si les neutrinos astrophysiques de haute énergie, une partie des rayons gamma de haute énergie et les RCUHE proviennent des mêmes sources transitoires.
Le projet MICRO réunit quatre instituts, chacun apportant un domaine d’expertise complémentaire nécessaire pour atteindre avec succès les objectifs ambitieux de ce nouveau projet dans un délai de trois ans.