Annexe 5. L'Astrophysique - Les rayons cosmiques

1.Découverte

 C’est en 1912 que Viktor Hess découvre le rayonnement cosmique. A cette époque on mesurait la radioactivité au moyen d’un électroscope. Chargé d’électrons, celui-ci se décharge peu à peu par le passage de la radioactivité des particules naturelles qui ionisent l’air. On mesurait alors le temps nécessaire à l’aiguille pour revenir à zéro.

 

Voulant montrer que l’électroscope se décharge moins vite lorsque la radioactivité naturelle diminue (donc en prenant de l’altitude), Viktor Hess découvre que, passé un seuil, la radioactivité, en altitude, augmente à nouveau. Preuve de l’existence de sources radioactives non liées à la Terre. Il découvre le rayonnement cosmique.

Ces particules sont des particules chargées, donc, et de ce fait elles franchissent plus ou moins facilement, selon son intensité, la barrière du champ électromagnétique terrestre.

2. Nature du rayonnement

Ce rayonnement est constitué de 99% de nucléons et de 1% d’électrons. L’essentiel du rayonnement cosmique est formé de protons. Ceux-ci, rencontrant d’autres particules dans l’atmosphère, se désintègrent donnant naissance à une cascade de particules : la pluie cosmique.

On connaissait le proton et l’électron. On découvre le positon en 1932, le muon en 1936 et le pion en 1947. Toutes ces particules se désintègrent en un temps extrêmement court.

Le scénario est alors le suivant : un proton de très haute énergie (une limite dite GZK leur attribue un maximum de 60 milliards de GeV, condition pour qu’ils puissent échapper à des interactions avec le rayonnement fossile qui les ralentirait de toutes façons à cette valeur, mais on a pu, en 1991, observer un rayon dont l’énergie était de 320 milliards de GeV !) entre en collision avec un noyau (par exemple d’un atome d’azote) avec pour conséquence la production de pions. Et de fragments de noyaux : protons et neutrons. Les pions se désintègrent aussitôt pour donner naissance à des muons qui ionisent très peu et peuvent donc parcourir beaucoup d’espace sans être affectés. Certains d’entre eux pourtant se désintègrent en électrons. Quelques uns arrivent sur terre sans se désintégrer.

Les muons sont des particules chargées négativement. Ils ont les mêmes propriétés que l’électron mais une masse qui est 207 fois plus grande. Le muon est un lepton, comme l’électron, de spin ½, comme tous les fermions (hadrons + leptons). Il existe un anti-muon qui ne diffère du muon que par sa charge positive. De même qu’il existe un neutrino électronique, il existe un neutrino muonique.

3. Quelles sont les sources des rayons cosmiques ?

La difficulté, c’est que ces rayons sont des particules chargées donc déviées tout le long de leur périple par les champs magnétiques des astres et des planètes.

Les protons à très haute énergie qui viennent se désintégrer dans l’atmosphère pourraient provenir de régions de l’espace où l’explosion d’étoiles massives crée des ondes de choc capables (44 millions de km/h) de céder de leur énergie aux protons pour les porter à des énergies considérables. Leur énergie ne provient pas de ce qu’a éjecté l’étoile. Elle provient des ondes de choc produites par l’explosion. Quelles que soit leur vitesse initiale, les particules reçoivent des ondes leur accélération.

Mais on ignore encore quelles sont les sources de ces rayons : mort d’étoiles massives donnant naissance à des supernovae ? Sursauts gamma ? Trous noirs super-massifs ?

Toutefois, la théorie postule que ces protons interagissent sur leur lieu de naissance avec des photons et produisent de la sorte des neutrinos qui, eux, se déplacent en ligne droite (n’étant pas chargés électriquement, de masse très petite, ils n’interagissent quasiment pas avec la matière). Détectés, ces neutrinos pourraient nous renseigner sur le point d’origine des rayons cosmiques dont ils sont contemporains.

Notre connaissance de l’univers repose essentiellement sur les données provenant de la lumière, des photons. Le fond diffus cosmologique nous livre l’image la plus éloignée que nous ayons de l’univers. L’étude du spectre lumineux nous livre tout ce que nous savons des objets qui le constituent. Aujourd’hui, deux sources supplémentaires promettent de venir enrichir notre connaissance et permettent d’espérer porter notre regard au-delà du « visible » : ce sont l’étude des ondes gravitationnelles et celle des neutrinos.