RAYONNEMENT COSMIQUE Rayons cosmiques

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques et des particules élémentaires qui voyagent dans l'espace à des vitesses voisines de celle de la lumière. Certains d'entre eux s'approchent suffisamment de la Terre pour être détectés par des instruments placés dans des satellites en orbite terrestre ou dans des sondes spatiales. D'autres pénètrent dans l'atmosphère terrestre, entrent en collision avec des noyaux d'oxygène ou d'azote, et produisent des générations successives de particules secondaires qui peuvent atteindre le niveau de la mer et parfois s'enfoncer profondément dans le sol (fig. 1). Ces proliférations des rayons cosmiques dans l'atmosphère sont appelées « grandes gerbes ». Les rayons cosmiques sont donc de deux types : primaires et secondaires.

Les rayons cosmiques primaires sont l'unique échantillon de matière qui nous parvienne d'au-delà du système solaire. Ils sont constitués en grande majorité de noyaux d'atomes, chargés positivement (étant donné leur vitesse élevée, ces noyaux ont perdu leur cortège électronique) ; toutes les espèces chimiques, de l'hydrogène à l'uranium, sont représentées. Seulement 1 p. 100 environ des rayons cosmiques primaires sont des électrons. Les positrons et les antiprotons sont encore plus rares.

La caractéristique la plus spectaculaire des rayons cosmiques primaires est l' énergie énorme qu'ils sont susceptibles de transporter individuellement : un seul noyau – d'hydrogène, par exemple – peut véhiculer jusqu'à quelques centaines de milliards de milliards d'électronvolts, soit quelques dizaines de joules, c'est-à-dire une énergie macroscopique qui suffirait à soulever de plusieurs mètres un volume de l'Encyclopædia Universalis ! Cependant, la majorité des rayons cosmiques primaires qui ont été observés jusqu'alors ont des énergies de quelques milliards d'électronvolts seulement. Ils représentent néanmoins dans l'Univers une population très privilégiée : en effet, si, dans le gaz interstellaire, moins d'une particule sur 10 millions est un rayon cosmique, l'énergie moyenne, par unité de volume, de l'ensemble des rayons cosmiques est pourtant sensiblement égale à celle du gaz interstellaire – ce qui n'est probablement pas un hasard. Une population infime de particules s'est donc approprié une part substantielle de l'énergie disponible ; par conséquent, l'étude de ces particules constitue la pierre angulaire de l'astrophysique des hautes énergies.

Depuis la fin des années 1960, l'extraordinaire développement de l'astrophysique des hautes énergies a révolutionné l'astronomie et l'astrophysique. Ce qui caractérise cette nouvelle astrophysique, c'est que, à travers les « fenêtres » de longueurs d'onde qui ont été ouvertes sur l'Univers (domaines radio, infrarouge, ultraviolet, rayons X et gamma), des objets d'un type nouveau ont été découverts qui émettent d'énormes quantités d'énergie ; on a pu ainsi obtenir la preuve indirecte que les rayons cosmiques sont partout présents dans l'Univers, et qu'ils sont associés à des événements d'une extrême violence. Dans ces objets (radiogalaxies, quasars, pulsars, étoiles binaires X, sources gamma à rafales), des conditions physiques extrêmes, totalement inaccessibles en laboratoire, se sont révélées, et les rayons cosmiques paraissent constituer une composante importante de ces systèmes.

Messagers des événements violents de l'Univers, les rayons cosmiques primaires jouent aussi un rôle en physique des particules élémentaires, comme outils de sondage des noyaux et des particules les constituant, car leur énergie est très supérieure à celles qui peuvent être obtenues avec les plus grands accélérateurs[...]