Les rayons cosmiques

En 1912, le physicien autrichien Victor Hess découvrit que des particules chargées -qu'on appelle maintenant les rayons cosmiques- entraient continuellement dans l'atmosphère terrestre de toutes les directions (ce qui signifiait que l'espace en était rempli). Les rayons cosmiques sont des noyaux d'atomes se déplaçant à haute vitesse; ils présentent une vaste gamme d'énergie et les plus puissants atteignent presque la vitesse de la lumière. L'atmosphère et la magnétosphère de la Terre nous protègent des rayons cosmiques les moins énergétiques, lesquels sont les plus communs. Les particules les plus communes des rayons cosmiques sont des protons ou des noyaux d'hydrogène à 90% puis des noyaux d'hélium à 8% suivis par des électrons (1%); le reste est constitué de noyaux d'autres éléments (les noyaux lourds étant moins nombreux au fur et à mesure que leur masse augmente). Les étoiles les plus massives, d'autre part, forgent des éléments, dans leur coeur, jusqu'au fer et explosent en supernovas, dispersant ces matériaux dans l'espace. Ces explosions créent aussi les conditions qui aboutissent à un bref et intense flux de particules subatomiques (des neutrons). Beaucoup de ces neutrons peuvent adhérer aux noyaux de fer et certains s'en décomposent par la suite en protons, produisant de nouveaux éléments plus lourds que le fer. Les ondes de choc des supernovas fournissent l'accélération qui transforme ces particules en rayons cosmiques à haute énergie. Lorsque l'onde de choc se développe dans l'espace, elle emprisonne et accélère les particules jusqu'à ce qu'elles atteignent des énergies si extrêmes qu'elles ne peuvent plus être contenues. On pensait qu'environ 20% des rayons cosmiques provenaient d'étoiles massives et de débris de supernovas et que 80% provenaient de la poussière et du gaz interstellaires -qui présentent des valeurs chimiques semblables à ce qu'on trouve dans le système solaire. On pense que les fusions d'étoiles à neutrons sont si lourdes en neutrons qu'elles seraient à l'origine de la plupart des rayons cosmiques plus lourds que le nickel et très riches en neutrons. Lorsqu'un rayon cosmique frappe, dans l'atmosphère terrestre, une molécule, les deux "explosent" et déclenchent une cascade de particules subatomiques qui continuent en une avalanche de collisions. Tous les rayons cosmiques sont des échantillons directs de matière appartenant à l'espace interstellaire. Les rayons cosmiques produisent des rayosn gamma lorsqu'ils interagissent avec les nuages de gaz interstellaire ou la lumière des étoiles -ainsi, dans les galaxies- et on pense que les rayons cosmiques, habituellement, sont liés à la formation des étoiles. Comme les particules sont chargées électriquement, elles interagissent avec les champs magnétiques galactiques. Les rayons cosmiques proviennent d'un ensemble d'évènements violents du cosmos. La plupart des rayons cosmiques qui trouvent leur origine dans notre système solaire ont une énergie relativement faible et proviennent des évènements explosifs du Soleil (ainsi les flares et les éjections coronales de masse). Les rayons cosmiques qui possèdent la plus forte énergie sont extrêmement rares et ont pense qu'ils proviennent de trous noirs supermassifs qui se nourrissent de matière au centre des galaxies. On appelle rayons cosmiques galactiques les rayons cosmiques qui viennent de notre Galaxie et on pense qu'ils proviennent des ondes de choc liées aux évènements supernova. La plupart des rayons cosmiques qu'on détecte sur Terre ont une origine relativement récente et proviennent d'amas peu lointains d'étoiles massives. Les rayons cosmiques sont extraordinairement puissants, avec des énergies jusqu'à 100 millions de fois plus puissantes que celles produites dans les accélérateurs de particules. Les particules des rayons cosmiques possèdent leurs antiparticules. Quand des rayons cosmiques entrent en collisions, ils peuvent donner naissance à des rayons cosmiques secondaires constitués de différents éléments. A la différence des deux particules de l'Univers qui n'ont pas de charge, les protons et les neutrinos, les rayons cosmiques sont des particules chargées et, comme telles, elles sont absorbées par l'atmosphère terrestre. Les astronomes pensent que les plus énergétiques des rayons cosmiques sont produits dans des lieux exotiques de notre Galaxie, ainsi les supernovas. La composition des rayons cosmiques laisse penser que la plupart proviennent de concentrations d'étoiles massives qui existent dans certains endroits de la Galaxie, dits 'super-bulles galactiques", qui sont des régions où de nombreuses supernovas explosent en l'espace de quelques millions d'années (en 1949, Enrico Fermi pensait que les rayons comsiques étaient accélérés au sein des nuages interstellaires). Des éléments rares, plus lourd que les atomes de fer, se trouvent dans le flux des rayons cosmiques. A la différence des rayons-gamma, lesquels nous parviennent de leurs objets émetteurs en ligne droite, les rayons cosmiques ont des parcours compliqués à travers la Galaxie: ils peuvent ainsi ricocher sur les atomes qu'ils rencontrent du gaz galactique ou bien être capturés et re-dirigés par les champs magnétiques. Les champs magnétiques qui se trouvent dans l'onde de choc des restes de supernovae semblent les meilleurs candidats. Aussi, tout cela rend-il très aléatoire le parcours des rayons cosmiques et très compliqué, aussi, de déterminer leur origine exacte. On pense que la plupart des rayons cosmiques énergétiques qui arrivent jusqu'à la Terre pourraient, en fait, venir de sources proches de nous, ainsi de pulsars que l'on ne pourrait observer dans le visible. Les rayons cosmiques pourraient, aussi, provenir du résultat de l'annihilation de particules hypothétiques, lesquelles formerait la "matière noire". Les rayons cosmiques à haute énergie, d'une façon générale, pourraient bien être générés par des fronts de choc, semblables au front de choc de la magnétosphère terrestre, lesquels existent dès qu'un médium en mouvement rapide rencontre un obstacle ou un autre flux. On peut donc les trouver autour des supernovas, des étoiles jeunes, des trous noirs voire de galaxies entières; là, ils seraient l'élément fondamental par lequel les rayons cosmiques verraient leur accélération déclenchée via un échauffement rapide, et les rayons cosmiques seraient ensuite guidés dans tout l'Univers, par de grands champs magnétiques, à la vitesse de la lumière. Les particules dont l'énergie est suffisante pénétrent autant la magnétosphère que l'atmosphère et y entrent en collision avec les molécules d'azote et d'oxygène. Se produit une désintégration des particules en particules différentes via un processus dit "cascades nucléoniques et électromagnétiques". La densité de l'atmosphère fait que la désintégration se produit surtout à une altitude de 18km, ce qui produit une couche concentrée de particules qu'on appelle le "maximale de Pfotzer". Les rayons cosmiques, d'une façon générale, connaissent une chute brutale aux énergies supérieures à 1000 trillions d'électrons-volts

L'accélération des rayons cosmiques, d'une façon générale, pourrait être similaire aux faisceaux ioniques générés par les SLAMS ("short large amplitude magnetic structures", "courtes structures magnétiques de grande amplitude") à l'avant de la magnétosphère terrestre: la magnétosphère agit comme un miroir magnétique et réfléchit les particules du vent solaire. Un processus semblable pourrait aussi exister pour les rayons cosmiques: des particules rebondiraient, accélèreraient et s'accroîtraient en énergie lorsque de tels miroirs magnétiques se rapprochent l'un de l'autre

Il y a deux types de rayons cosmiques: les rayons cosmiques galactiques (en anglais: "Galactic Cosmic Rays" ou "GCR"); ce sont des particules -électrons, noyaux d'atomes- chargées électriquement qui atteignent le système solaire à des vitesses proches de celle de la lumière. Des ions dits 'pickup ions', en anglais, sont créés lorsque des atomes neutres provenant de la Galaxie entrent en collision avec l'ultraviolet du Soleil ou le vent solaire et se transforment en particules chargées. Une vue alternative est que les rayons cosmiques sont surtout des protons accélérés à des vitesses relativistes au sein des restes de supernovae, lesquels sont les sources des rayons cosmiques galactiques: lorsque les protons accélérés rencontre le matériau interstellaire, ils produisent des pions neutres, lesquels se transforment, par transmutation radioactive, en rayons gamma (ou "rayons gamma de transmutation de pion"). L'identification de ces rayons gamma est difficile car les électrons de haute énergie produisent également, via deux processus dits, en anglais, "bremsstrahlung" et "inverse Compton scattering", des rayons gamma. Lorsque le matériau à haute vitesse éjecté par la supernova rencontre les couches éjectées précédemment par l'étoile, cela produit une onde, ou front, de choc. Des nombreux protons se déplaçant rapidement dans le gaz qui se situe directement derrière l'onde de choc pourraient bien constituer les particules qui servent à l'élaboration des rayons cosmiques. Ceux-ci, ensuite, interagissent avec le matériau du front de choc pour atteindre les énergies extrêmement élevées requises pour se transformer en rayons cosmiques. En d'autres termes, les particules chargées piégées dans le champ magnétique d'un reste de supernova se déplacent de façon aléatoire dans celui-ci et, de temps à autre, elles traversent l'onde de choc de la supernova. Chaque aller-et-retour de part et d'autre du front de choc augmente la vitesse de la particule d'aux alentours d'1%. Après de nombreux passages, la particule finit par obtenir assez d'énergie pour se libérer et, en tant que rayon cosmique, quitter le cocon du reste de supernova. Le deuxième type de rayons cosmiques sont ceux qui trouvent leur origine dans le Soleil: celui-ci, pendant ses périodes de forte activité, via les solar flares, expulse à haute vitesse dans l'espace plus de particules chargées. Les champs magnétiques entraînés par le vent solaire dévient une grande partie des rayons cosmiques galactiques avant qu'ils n'atteignent le système solaire interne. C'est aussi ce que font le champ magnétique interplanétaire et la pression du vent solaire

Les rayons cosmiques à haute énergie, ou rayons cosmiques galactiques, qui viennent des évènements supernova peuvent être observés grâce aux rayons-gamma qu'ils émettent lorsqu'ils heurtent des nuages de gaz avoisinants. Du fait que les rayons cosmiques sont composés de particules chargées, telles des protons et des électrons, la direction de leur mouvement change lorsqu'ils rencontrent des champs magnétiques dans l'espace intersidéral. C'est cela qui fait que l'origine d'un rayon cosmique donné ne peut être déterminé lorsqu'il arrive à la Terre. Les supernovas sont certainement les meilleurs candidats pour ce qui est de la production des rayons cosmiques les plus énergétiques dans la Galaxie. Les protons peuvent atteindre des énergies des centaines de fois plus élevées que les électrons de la plus haute énergie produite dans les accélérateurs de particules sur Terre, lesquels sont 14 millions de fois plus faibles que les rayons cosmiques: une particule qui aurait une énergie de mille milliards d'électrons-volt représente une énergie équivalente à celle d'un moustique en vol alors que le rayon cosmique le plus rapide jamais observé était une particule sub-atomique ayant la force d'une balle de base-ball. La radiation cosmique gamma, elle, vient de toutes les directions et est produite par les évènements les plus énergétiques de l'Univers. On pense que les champs magnétiques situés de part et d'autre de l'onde de choc d'un reste de supernova peuvent piéger des particules entre eux et déclencher une sorte de ping-pong de particules, qui enclenche un processus dit "production de pions": un proton qui se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière frappe un autre proton, qui se déplace plus lentement. Cette interaction crée une particule instable, un pion (dont la masse n'est que de 14% celle d'un proton). En un dix-millionième de milliardième de seconde, le pion se transforme radio-activement en deux rayons gamma

Les zones de formation des étoiles de type O et B semblent aussi de bons candidats quant à la production de rayons cosmiques; creusant des cavités dans leur nuage de gaz et de poussière originel. Les rayons cosmiques y naissent du fait de supernovas ou du fait des interactions répétées avec les ondes de choc des puissants vents solaires de ces étoiles massives. Les rayons cosmiques s'y emmêlent aussi dans les champs magnétiques turbulents. Ils ne peuvent parvenir à la Terre qu'une fois quittée ces zones. Les ondes ou fronts de choc, d'une façon générale, puisqu'ils sont des accélérateurs d'électrons, pourraient bien être une source dominante de rayons cosmiques. Les fronts de choc se trouvent aussi bien dans des explosions supernovas que lorsque qu'un vent stellaire heurte une magnétosphère planétaire. Sont particulièrement intéressants les fronts de choc "quasi parallèles" o&ugravre; le front de choc et les lignes du champ magnétique sont alignés (ce qui est le case pour les restes de supernova)