RAYONNEMENT COSMIQUE Rayons cosmiques

Origine et composition des rayons cosmiques

L'idée la plus séduisante concernant l'origine des rayons cosmiques fut émise par Fritz Zwicky en 1938 : les supernovae produiraient les rayons cosmiques en accélérant, grâce à l'expansion très rapide de leur enveloppe, la matière qu'elles ont synthétisée. Cette théorie, très satisfaisante sur le plan énergétique, a été généralement acceptée jusqu'en 1985. On sait maintenant que l'abondance relative des diverses espèces chimiques dans les sources des rayons cosmiques (appelée composition élémentaire) diffère radicalement de la composition élémentaire de la matière fraîchement synthétisée par les supernovae et disséminée dans l'espace par leur explosion. Si certaines étoiles éruptives (dont celles qui ressemblent au Soleil) pourraient être à l'origine d'une partie des rayons cosmiques, nous ignorons encore où la plupart d'entre eux prennent leur source. Sait-on du moins comment ils acquièrent leur énorme énergie ? L'idée la plus féconde a été émise par Évry Schatzman en 1966, lorsqu'il démontra que l' onde de choc due à l'explosion d'une supernova peut, en comprimant brutalement le champ magnétique interstellaire sur son passage, fournir de l'énergie à certaines particules. Dix ans plus tard, une synthèse fut réalisée entre cette théorie et une autre, formulée par Enrico Fermi dès 1948, selon laquelle les rayons cosmiques pourraient acquérir de l'énergie en rebondissant sur les nuages interstellaires en perpétuelle agitation. Dans la théorie actuelle, c'est sur les fluctuations du champ magnétique interstellaire de part et d'autre d'une onde de choc que rebondissent les particules qui deviendront des rayons cosmiques. C'est au moment où l'onde de choc provenant d'une supernova englobe une étoile éruptive que les noyaux à basse énergie émis par cette dernière pourraient être accélérés grâce à ce mécanisme jusqu'à 10¹⁴ électronvolts au moins. Un mécanisme plus efficace est donc nécessaire pour expliquer les énergies supérieures, observées jusqu'à 10²⁰ électronvolts.

La composition des rayons cosmiques à leur source diffère-t-elle de celle de la matière galactique locale ? Notons d'abord que la composition des rayons cosmiques arrivant près de la Terre est très différente de celle qu'ils avaient au départ, près de leur source. En effet, lorsqu'ils rencontrent des atomes du milieu interstellaire, ils peuvent se briser (on parle de réaction nucléaire de spallation), donc s'enrichir en noyaux de numéro atomique Z plus faible (c'est-à-dire en noyaux contenant moins de protons). C'est ainsi que le deutérium, l'hélium 3, le lithium, le béryllium, le bore et, plus généralement, les éléments de numéro atomique impair sont beaucoup plus abondants (jusqu'à plusieurs millions de fois) près de la Terre qu'aux sources des rayons cosmiques. Lorsqu'on connaît les abondances élémentaires près de la Terre et les sections efficaces de spallation, on en déduit simultanément, dans le cadre d'un modèle de propagation des rayons cosmiques dans la Galaxie, la quantité de matière traversée par les rayons cosmiques entre leur source et la Terre – 70 kilogrammes par mètre carré – et leur composition originelle.

La composition élémentaire des rayons cosmiques à la source qui est ainsi déduite rappelle beaucoup la composition de la matière galactique locale – mesurée dans les météorites et supposée décrire la composition du nuage de gaz qui forma le système solaire il y a 4,6 milliards d'années (fig. 2). Cependant, quelques éléments lourds (carbone, azote, oxygène, néon) sont sous-abondants dans les rayons cosmiques d'un facteur 3 à 6 (en prenant le silicium comme référence) ; ce facteur atteint[...]