RAYONNEMENT COSMIQUE Rayons cosmiques

Isotropie des rayons cosmiques

Si les rayons cosmiques pouvaient s'échapper librement de la Galaxie, leurs directions d'arrivée sur la voûte céleste seraient distribuées de façon très anisotrope, la plupart arrivant des régions centrales de la Galaxie. Ce n'est pas du tout ce que l'on observe : l'anisotropie est inférieure à 0,1 p. 100 entre 100 et 10⁶ gigaélectronvolts ! On ne distingue pas non plus une direction préférentielle liée au bras galactique spiral près duquel se trouve le Soleil.

Ces résultats amènent à conclure que les rayons cosmiques sont diffusés de façon efficace, soit par les irrégularités du champ magnétique galactique, soit encore par les ondes excitées par les rayons cosmiques eux-mêmes.

Au-dessus de 10¹⁶ électronvolts, l'anisotropie des rayons cosmiques augmente rapidement pour atteindre quelques pour-cent à 10¹⁸ électronvolts et de 40 à 60 p. 100 entre 10¹⁹ et 10²⁰ électronvolts. Au-dessus de 3. 10¹⁹ électronvolts, la direction d'arrivée de ces particules – dont on ignore le numéro atomique – est très éloignée du plan galactique ; elle se situe vers les latitudes galactiques nord. La figure 6 montre que des protons de 7 .10¹⁹ électronvolts issus du centre galactique s'échapperaient de la Galaxie même si un champ uniforme de 2 .10^–10 tesla remplissait un très grand halo. Au contraire, des noyaux de fer ou d'oxygène de même énergie totale pourraient rester confinés dans la Galaxie ; pour ces derniers, une origine galactique serait donc possible. Les jeunes pulsars pourraient être des sources adéquates dans la mesure où leur surface serait très riche en fer et où des champs électrostatiques énormes, capables d'accélérer des particules à 10¹⁹ ou 10²⁰ électronvolts, se développeraient dans leur magnétosphère.

Cependant, il s'avère que les rayons cosmiques d'énergie supérieure à 10¹⁹ électronvolts sont, comme à plus basse énergie, constitués en majeure partie de protons ; il faudra donc rechercher des sources extragalactiques.

Les horloges dans les rayons cosmiques

Certains des noyaux provenant de la fragmentation des rayons cosmiques dans le milieu interstellaire sont instables. Le plus important est le béryllium 10, qui a une période radioactive T₀ de 1,5 .10⁶ ans en laboratoire et γ .T₀ si la particule est relativiste (γ est ici le facteur de Lorentz). Par décroissance radioactive β, le béryllium 10 se transforme en bore 10. La mesure des abondances relatives des isotopes permet de connaître la proportion de béryllium 10 qui a subi la décroissance radioactive pendant le parcours, donc l'âge moyen des rayons cosmiques que nous observons. On trouve ainsi un âge de confinement de 15 à 20 millions d'années. En combinant ce résultat avec[...]