Rayons cosmiques

Les rayons cosmiques ressemblent à une sorte de menace de science-fiction venue de l'espace. Il s'avère que, en quantités suffisamment élevées, ils le sont. D'un autre côté, les rayons cosmiques nous traversent tous les jours sans faire grand chose (voire aucun mal). Alors, quelles sont ces mystérieuses pièces d'énergie cosmique?

Définition des rayons cosmiques

Le terme «rayon cosmique» fait référence aux particules à grande vitesse qui parcourent l'univers. Ils sont partout. Il y a de fortes chances que les rayons cosmiques aient traversé le corps de chacun à un moment ou à un autre, en particulier s'ils vivent à haute altitude ou ont volé dans un avion. La Terre est bien protégée contre tout sauf le plus énergique de ces rayons, donc ils ne représentent pas vraiment un danger pour nous dans notre vie de tous les jours.

Les rayons cosmiques fournissent des indices fascinants sur des objets et des événements ailleurs dans l'univers, tels que la mort d'étoiles massives (appelées explosions de supernovaes) et l'activité sur le Soleil, alors les astronomes les étudient à l'aide de ballons à haute altitude et d'instruments spatiaux. Cette recherche fournit de nouvelles perspectives passionnantes sur les origines et l'évolution des étoiles et des galaxies dans l'univers. 

Les rayons cosmiques proviennent d'explosions de supernova, entre autres processus dans l'univers. Il s'agit d'images combinées infrarouge et rayons X d'un résidu de supernova appelé W44. Plusieurs télescopes l'ont regardé pour obtenir l'image. Lorsque l'étoile qui a créé cette scène a explosé, elle a envoyé des rayons cosmiques et d'autres particules de haute énergie, ainsi que de la radio, des infrarouges, des rayons X, des ultraviolets et de la lumière visible. NASA / CXC et NASA / JPL-CalTech

Que sont les rayons cosmiques?

Les rayons cosmiques sont des particules chargées à très haute énergie (généralement des protons) qui se déplacent à presque la vitesse de la lumière. Certains proviennent du Soleil (sous la forme de particules énergétiques solaires), tandis que d'autres sont éjectés d'explosions de supernova et d'autres événements énergétiques dans l'espace interstellaire (et intergalactique). Lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec l'atmosphère terrestre, ils produisent des averses de ce qu'on appelle des "particules secondaires".

Histoire des études sur les rayons cosmiques

L'existence des rayons cosmiques est connue depuis plus d'un siècle. Ils ont été découverts pour la première fois par le physicien Victor Hess. Il a lancé des électromètres de haute précision à bord de ballons météorologiques en 1912 pour mesurer le taux d'ionisation des atomes (c'est-à-dire à quelle vitesse et à quelle fréquence les atomes sont excités) dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre. Ce qu'il a découvert, c'est que le taux d'ionisation était beaucoup plus élevé à mesure que vous montiez dans l'atmosphère - une découverte pour laquelle il a ensuite remporté le prix Nobel.

Cela a volé face à la sagesse conventionnelle. Son premier instinct sur la façon d'expliquer cela était qu'un phénomène solaire créait cet effet. Cependant, après avoir répété ses expériences au cours d'une éclipse solaire proche, il a obtenu les mêmes résultats, excluant efficacement toute origine solaire car, par conséquent, il a conclu qu'il devait y avoir un certain champ électrique intrinsèque dans l'atmosphère créant l'ionisation observée, bien qu'il ne puisse pas en déduire quelle serait la source du champ.

Plus de dix ans plus tard, le physicien Robert Millikan a pu prouver que le champ électrique dans l'atmosphère observé par Hess était plutôt un flux de photons et d'électrons. Il a appelé ce phénomène "rayons cosmiques" et ils ont traversé notre atmosphère. Il a également déterminé que ces particules ne provenaient pas de la Terre ou de l'environnement proche de la Terre, mais provenaient plutôt de l'espace lointain. Le prochain défi consistait à déterminer quels processus ou objets auraient pu les créer. 

Études en cours sur les propriétés des rayons cosmiques

Depuis ce temps, les scientifiques ont continué à utiliser des ballons à haute altitude pour survoler l'atmosphère et échantillonner davantage de ces particules à grande vitesse. La région au-dessus de l'Antarctique au pôle sud est un point de lancement privilégié, et un certain nombre de missions ont collecté plus d'informations sur les rayons cosmiques. Là-bas, le National Science Balloon Facility accueille chaque année plusieurs vols chargés d'instruments. Les "compteurs de rayons cosmiques" qu'ils transportent mesurent l'énergie des rayons cosmiques, ainsi que leurs directions et intensités.

Un vol en ballon de longue durée depuis l'Antarctique peut être utilisé pour détecter les rayons cosmiques. NASA

le Station spatiale internationale contient également des instruments qui étudient les propriétés des rayons cosmiques, y compris l'expérience CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass). Installé en 2017, il a une mission de trois ans pour collecter autant de données que possible sur ces particules en mouvement rapide. CREAM a en fait commencé comme une expérience en ballon et a volé sept fois entre 2004 et 2016.

Comprendre les sources des rayons cosmiques

Parce que les rayons cosmiques sont composés de particules chargées, leur chemin peut être modifié par tout champ magnétique avec lequel il entre en contact. Naturellement, des objets comme les étoiles et les planètes ont des champs magnétiques, mais des champs magnétiques interstellaires existent également. Il est donc extrêmement difficile de prédire où (et comment) les champs magnétiques sont extrêmement difficiles. Et puisque ces champs magnétiques persistent dans tout l'espace, ils apparaissent dans toutes les directions. Par conséquent, il n'est pas surprenant que de notre point de vue ici sur Terre, il semble que les rayons cosmiques ne semblent pas arriver d'un seul point dans l'espace..

La détermination de la source des rayons cosmiques s'est avérée difficile pendant de nombreuses années. Cependant, certaines hypothèses peuvent être supposées. Tout d'abord, la nature des rayons cosmiques en tant que particules chargées de très haute énergie impliquait qu'ils sont produits par des activités assez puissantes. Ainsi, des événements comme les supernovae ou les régions autour des trous noirs semblaient être des candidats probables. Le Soleil émet quelque chose de similaire aux rayons cosmiques sous la forme de particules hautement énergétiques.

Le Soleil émet des flux de particules sous tension et de rayons cosmiques. Consortium SOHO / Extreme Ultraviolet Imaging Telescope (EIT)

En 1949, le physicien Enrico Fermi a suggéré que les rayons cosmiques n'étaient que des particules accélérées par des champs magnétiques dans les nuages ​​de gaz interstellaires. Et, comme vous avez besoin d'un champ assez grand pour créer les rayons cosmiques de la plus haute énergie, les scientifiques ont commencé à regarder les restes de supernova (et d'autres gros objets dans l'espace) comme la source probable. 

Les rayons cosmiques pourraient provenir d'événements hautement énergétiques dans l'univers lointain, tels que les activités associées aux quasars. Un regard artistique sur ce à quoi pourrait ressembler un quasar lointain. ESO / M. Kornmesser

En juin 2008, la NASA a lancé un télescope à rayons gamma appelé Fermi - nommé pour Enrico Fermi. Tandis que Fermi est un télescope à rayons gamma, l'un de ses principaux objectifs scientifiques était de déterminer l'origine des rayons cosmiques. Couplés à d'autres études des rayons cosmiques par des ballons et des instruments spatiaux, les astronomes se tournent maintenant vers les restes de supernovae et des objets exotiques tels que les trous noirs supermassifs comme sources des rayons cosmiques les plus énergiques détectés ici sur Terre..

Faits rapides

• Les rayons cosmiques viennent de partout dans l'univers et peuvent être générés par des événements tels que les explosions de supernova.
• Des particules à grande vitesse sont également générées dans d'autres événements énergétiques tels que les activités de quasar.
• Le Soleil envoie également des rayons cosmiques sous forme de particules énergétiques solaires.
• Les rayons cosmiques peuvent être détectés sur Terre de diverses manières. Certains musées ont des détecteurs de rayons cosmiques en tant qu'expositions.

Sources

• "Exposition aux rayons cosmiques." Radioactivité: iode 131, www.radioactivity.eu.com/site/pages/Dose_Cosmic.htm.
• NASA, NASA, imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/cosmic_rays1.html.
• RSS, www.ep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/SparkChamber/text2h.html.

Édité et mis à jour par Carolyn Collins Petersen.