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Que sont exactement les rayons cosmiques ?
Dans les premières années du 20ème siècle, peu de temps après qu’Antoine Henri Becquerel et les Curie aient découvert une présence invisible appelée radioactivité et juste au moment où Edwin Hubble et d’autres astronomes ont commencé à définir la véritable échelle et la nature de l’univers, l’humanité a été confrontée à une autre mystère: la nature et l’origine d’une forme d’énergie nouvellement détectée de l’espace extra-atmosphérique, mieux connue sous le terme pittoresque de rayons cosmiques .
Mais comme c’est généralement le cas avec la science, la résolution d’un mystère en a découvert un complètement nouveau. Que sont exactement les rayons cosmiques ? S’agissait-il de particules chargées comme des électrons ou de paquets d’énergie neutres comme des photons de lumière ? Millikan a opté pour ce dernier, et compte tenu de son statut et de son expertise évidente, peu étaient enclins à discuter avec lui, du moins publiquement. Les rayons cosmiques, a-t-il déclaré, étaient « les cris de naissance des atomes naissant dans l’espace interstellaire ».
Millikan, qui avait lui-même quelque chose d’un penchant religieux, n’a rien fait pour décourager ces associations. Lui et beaucoup d’autres ont préféré un tel univers éternel à un univers mortel qui doit, selon la deuxième loi de la thermodynamique, finir par se calmer et être dépassé par l’entropie, ou «la mort par la chaleur». Pour les scientifiques qui croyaient que l’univers finirait un jour, les rayons cosmiques n’étaient pas des « cris de naissance » mais des « gémissements de mort » résultant de l’annihilation des atomes à l’intérieur des étoiles.
Que sont les rayons cosmiques ?
Les rayons cosmiques sont des fragments d’atomes qui pleuvent sur la Terre depuis l’extérieur du système solaire. Ils flamboient à la vitesse de la lumière et ont été accusés de problèmes électroniques dans les satellites et autres machines. Découvert en 1912, beaucoup de choses sur les rayons cosmiques restent un mystère plus d’un siècle plus tard. Un excellent exemple est exactement d’où ils viennent. La plupart des scientifiques soupçonnent que leurs origines sont liées aux supernovas (explosions d’étoiles), mais le défi est que pendant de nombreuses années, les origines des rayons cosmiques sont apparues uniformes aux observatoires examinant le ciel entier. Un grand bond en avant dans la science des rayons cosmiques a eu lieu en 2017, lorsque l’Observatoire Pierre Auger (qui s’étend sur 3 000 kilomètres carrés, ou 1 160 miles carrés, dans l’ouest de l’Argentine) a étudié les trajectoires d’arrivée de 30 000 particules cosmiques. Il a conclu qu’il y a une différence dans la fréquence à laquelle ces rayons cosmiques arrivent, selon l’endroit où vous regardez. Bien que leurs origines soient encore nébuleuses, savoir où chercher est la première étape pour savoir d’où ils viennent, ont déclaré les chercheurs. Les résultats ont été publiés dans Science.
Les rayons cosmiques peuvent même être utilisés pour des applications en dehors de l’astronomie. En novembre 2017, une équipe de recherche a découvert un possible vide dans la Grande Pyramide de Gizeh, qui a été construite vers 2560 av. J.-C., à l’aide de rayons cosmiques. Les chercheurs ont trouvé cette cavité en utilisant la tomographie muonique, qui examine les rayons cosmiques et leurs pénétrations à travers des objets solides.
Histoire
Alors que les rayons cosmiques n’ont été découverts que dans les années 1900, les scientifiques savaient que quelque chose de mystérieux se passait dès les années 1780. C’est alors que le physicien français Charles-Augustin de Coulomb – mieux connu pour avoir une unité de charge électrique qui porte son nom – a observé une sphère électriquement chargée soudainement et mystérieusement ne plus être chargée. À l’époque, l’air était considéré comme un isolant et non comme un conducteur électrique. Avec plus de travail, cependant, les scientifiques ont découvert que l’air peut conduire l’électricité si ses molécules sont chargées ou ionisées. Cela se produirait le plus souvent lorsque les molécules interagissent avec des particules chargées ou des rayons X.
Mais d’où venaient ces particules chargées était un mystère ; même les tentatives de bloquer la charge avec de grandes quantités de plomb se sont révélées vides. Le 7 août 1912, le physicien Victor Hess a fait voler un ballon à haute altitude à 17 400 pieds (5 300 mètres). Il y découvrit trois fois plus de rayonnements ionisants qu’au sol, ce qui signifiait que les rayonnements devaient provenir de l’espace.:no_upscale()/cdn.vox-cdn.com/uploads/chorus_asset/file/18314870/AUGER_MAP.jpg)
Mais retracer les « histoires d’origine » des rayons cosmiques a pris plus d’un siècle. En 2013, le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a publié les résultats de l’observation de deux restes de supernova dans la Voie lactée : IC 433 et W44. Parmi les produits de ces explosions d’étoiles figurent les photons gamma, qui (contrairement aux rayons cosmiques) ne sont pas affectés par les champs magnétiques. Les rayons gamma étudiés avaient la même signature énergétique que les particules subatomiques appelées pions neutres. Les pions sont produits lorsque des protons se coincent dans un champ magnétique à l’intérieur de l’onde de choc de la supernova et s’écrasent les uns contre les autres. En d’autres termes, les signatures énergétiques correspondantes ont montré que les protons pouvaient se déplacer à des vitesses suffisamment rapides dans les supernovas pour créer des rayons cosmiques.
Sciences actuelles
Nous savons aujourd’hui que les rayons cosmiques galactiques sont des fragments d’atomes tels que les protons (particules chargées positivement), les électrons (particules chargées négativement) et les noyaux atomiques. Bien que nous sachions maintenant qu’ils peuvent être créés dans les supernovas, il peut y avoir d’autres sources disponibles pour la création de rayons cosmiques. On ne sait pas non plus exactement comment les supernovas sont capables de rendre ces rayons cosmiques si rapides. Les rayons cosmiques pleuvent constamment sur la Terre, et alors que les rayons « primaires » à haute énergie entrent en collision avec les atomes de la haute atmosphère terrestre et atteignent rarement le sol, les particules « secondaires » sont éjectées de cette collision et nous atteignent sur le terrain.
Mais au moment où ces rayons cosmiques arrivent sur Terre, il est impossible de savoir d’où ils viennent. C’est parce que leur chemin a été modifié alors qu’ils traversaient plusieurs champs magnétiques (ceux de la galaxie, du système solaire et de la Terre elle-même). Les scientifiques tentent de retracer les origines des rayons cosmiques en examinant de quoi sont faits les rayons cosmiques. Les scientifiques peuvent comprendre cela en examinant la signature spectroscopique que chaque noyau émet en termes de rayonnement, et également en pesant les différents isotopes (types) d’éléments qui frappent les détecteurs de rayons cosmiques.
Les rayons cosmiques peuvent également être détectés par ballon, comme par le biais de l’expérience Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER) qui comprend la participation du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et de plusieurs universités. Il a effectué plusieurs vols, dont un vol record de 55 jours au-dessus de l’Antarctique entre décembre 2012 et janvier 2013. « Avec les données de ce vol, nous étudions l’origine des rayons cosmiques. associations OB, ainsi que des modèles pour déterminer quelles particules seront accélérées », a déclaré le site Web SuperTIGER . Les scientifiques citoyens peuvent également participer à la recherche des rayons cosmiques en s’inscrivant sur le site crayfis.io. Là, ils rejoindront l’expérience CRAYFIS dirigée par le Laboratoire des méthodes d’analyse des mégadonnées (LAMBDA) de l’École supérieure d’économie de l’Université nationale de recherche en Russie. Des chercheurs y étudient les rayons cosmiques à ultra-haute énergie à l’aide de téléphones portables. Problèmes de rayonnement spatial
La lune n’a pas d’atmosphère et un champ magnétique très faible. Les astronautes qui y vivent devraient assurer leur propre protection, par exemple en enfouissant leur habitat sous terre. Mars n’a pas de champ magnétique global. Les particules du soleil ont dépouillé la majeure partie de l’atmosphère de Mars, ce qui entraîne une très faible protection contre les radiations à la surface. La pression atmosphérique la plus élevée sur Mars est égale à une altitude de 22 miles (35 kilomètres) au-dessus de la surface de la Terre. À basse altitude, l’atmosphère de Mars offre une protection légèrement meilleure contre le rayonnement spatial.
Les rayons cosmiques
Les rayons cosmiques sont des particules de haute énergie qui arrivent de l’espace vers la couche externe de l’atmosphère terrestre, c’est-à-dire des étoiles, des explosions de supernovæ d’étoiles et de sources qui nous sont actuellement inconnues. Ces particules à haute énergie, également appelées particules primaires, n’atteignent pas le niveau du sol car elles entrent en collision avec des molécules d’air situées très haut dans l’atmosphère. Leurs collisions se traduisent par une gerbe de particules de moindre énergie, dont certaines atteignent le sol et peuvent être détectées. Les rayons cosmiques sont des particules chargées, principalement des protons ou d’autres petits noyaux atomiques, se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Il est étonnant de penser qu’un seul rayon cosmique ait traversé l’espace pendant des millions d’années avant d’atteindre la Terre.
Le détecteur HiSPARC
Au cœur du détecteur HiSPARC se trouvent deux plaques en plastique, les plaques de scintillateur. Chacun est logé dans une boîte étanche à la lumière séparée et les boîtes sont positionnées à plusieurs mètres l’une de l’autre. La plaque de scintillateur contient des molécules d’une substance qui émettent un minuscule éclair de lumière lorsqu’elles sont touchées par une particule de haute énergie. Ces éclairs de lumière sont guidés vers les tubes photomultiplicateurs (PMT), un pour chaque plaque, à travers une série de réflexions internes totales dans le matériau scintillateur. Les PMT convertissent chaque éclair de lumière en un courant électrique. Si les deux PMT donnent un courant en même temps, on sait qu’une gerbe de particules a traversé les deux plaques scintillatrices. Deux plaques de scintillateur sont utilisées pour s’assurer que le rayonnement de fond de l’environnement est filtré des résultats. Le système des deux PMT est relié à un boîtier numérique (boîtier HiSPARC) qui règle la tension du détecteur et numérise le signal. Un ordinateur, connecté au boîtier HiSPARC, stocke les données provenant du détecteur et relie les données au moment exact de l’événement à l’aide d’un signal horaire obtenu à partir d’un récepteur GPS.
Il existe de nombreux détecteurs HiSPARC situés au Royaume-Uni, aux Pays-Bas et dans d’autres pays d’Europe occidentale. Chaque nuit, les données de tous ces sites sont transmises à un serveur du Nikhef, l’Institut national néerlandais de physique subatomique. En 24 heures, n’importe qui peut se rendre sur le site Web HiSPARC, télécharger les données de n’importe quel détecteur et commencer à explorer la science des rayons cosmiques. En comparant les signaux d’un groupe de détecteurs locaux, nous pouvons détecter de plus grandes averses qui affectent plus d’un site, ce qui nous permet de déterminer la direction d’où provient l’averse et l’énergie de la particule primaire.
Presque tous les détecteurs HiSPARC sont situés dans des écoles et des universités et le réseau ne cesse de croître. L’Institut de physique dispose d’un détecteur HiSPARC sur le toit de notre immeuble à Londres, ce qui nous permet de nous engager avec des écoles locales dans l’arrondissement d’Islington et en République d’Irlande et de participer à la recherche de pointe sur les rayons cosmiques.
D’où viennent les rayons cosmiques ?
Les rayons cosmiques proviennent de diverses sources, toutes intenses. Lorsque des étoiles géantes meurent, elles se retournent en quelques secondes dans une fantastique explosion connue sous le nom de supernova. Un seul événement de supernova peut éclipser tout une galaxie entière, et ils fournissent donc suffisamment d’énergie pour accélérer les particules à une vitesse proche de celle de la lumière. Les fusions stellaires peuvent également générer les énergies nécessaires, ainsi que la naissance de nouvelles étoiles, les événements de perturbation des marées (lorsqu’une étoile est mangée par un trou noir) et les disques d’accrétion frénétiques autour de trous noirs massifs. Ils émettent tous des rayons cosmiques à diverses énergies, qui inondent ensuite le cosmos. Mais déterminer d’où proviennent les rayons cosmiques est une tâche difficile, selon l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN). Comme ce sont des particules chargées, elles réagissent aux champs magnétiques. Notre galaxie, la Voie lactée, a un champ magnétique faible (mais important), qui dévie les trajectoires de tous les rayons cosmiques provenant du reste de l’univers. Au moment où ces rayons cosmiques provenant de l’extérieur de la galaxie arrivent à nos détecteurs sur Terre, ils arrivent de directions aléatoires, sans origine discernable.
Les astronomes d’aujourd’hui disposent d’une variété d’outils pour rechercher ces particules de haute énergie. La méthode la plus simple est la détection directe : construisez une boîte et attendez qu’un rayon cosmique la frappe, puis enregistrez le résultat. De tels détecteurs ont été équipés sur la Station Spatiale Internationale, par exemple. Mais ceux-ci sont de taille limitée et ne visent qu’une petite partie de l’univers observable, et donc les plus grands observatoires de rayons cosmiques utilisent des méthodes indirectes.
À quelle fréquence les rayons cosmiques frappent-ils la Terre ?
Les rayons cosmiques frappent constamment l’atmosphère terrestre, selon la NASA. Lorsqu’ils le font, ils libèrent leur énergie accumulée sous la forme d’une pluie de particules secondaires qui se dirigent ensuite vers le sol. Cette pluie peut alors être détectée, comme avec l’observatoire Pierre Auger en Argentine. Vous pouvez même construire un détecteur de rayons cosmiques chez vous : trempez un tampon de feutre dans de l’alcool isopropylique et placez-le au-dessus de glace carbonique. L’alcool formera une vapeur sursaturée. Lorsqu’un rayon cosmique passe à travers, il laisse une traînée visible dans la vapeur. Vous pouvez trouver des instructions sur ce site Web du CERN.
Avec votre détecteur de rayons cosmiques fait maison, vous pouvez vous attendre à voir environ un rayon cosmique de faible énergie (environ 10 ^ 10 électronvolts) par mètre carré par seconde. Les plus énergétiques, environ 10 ^ 15 eV, frappent un mètre carré chaque année. Les rayons cosmiques se présentent sous différents niveaux d’énergie. Les rayons cosmiques les plus énergétiques, connus sous le nom de rayons cosmiques à ultra-haute énergie, ou UHERC, sont les plus rares, atteignant un kilomètre carré chaque année. C’est pourquoi les observatoires comme Perre Auger sont si massifs – ils créent une plus grande surface de collecte. « Nous avons besoin d’expériences géantes car les rayons cosmiques de plus haute énergie sont extrêmement rares », a déclaré Noémie Globus, chercheuse postdoctorale à l’Université de Californie, Santa Cruz et au Flatiron Institute de New York, et experte en rayons cosmiques, à Live Science. Ces UHERCS ne sont pas seulement les plus rares des rayons cosmiques, ils sont aussi parmi les plus mystérieux. « Nous ne comprenons pas les origines des rayons cosmiques de plus haute énergie », a déclaré Globus. « C’est tout simplement inconnu. J’ai toujours été émerveillé par les énergies de ces particules. »
Les rayons cosmiques sont-ils nocifs ?
Les rayons cosmiques de toutes les énergies sont, par essence, horribles pour les humains et leurs objets. Ils peuvent perturber l’électronique et gâcher les appareils photo numériques. En tant que forme de rayonnement ionisant, ils peuvent avoir diverses conséquences sur la santé, selon la NASA. Ils peuvent générer des espèces oxygénées réactives à l’intérieur des cellules, qui, à des niveaux élevés, peuvent stresser les cellules et les conduire au suicide cellulaire, introduire des mutations de l’ADN et déclencher des erreurs de réplication qui conduisent au cancer.
À la surface de la Terre, l’atmosphère épaisse protège la plupart des gens des effets néfastes des rayons cosmiques. Mais les rayons cosmiques présentent un risque sérieux pour les astronautes, d’autant plus que les agences spatiales envisagent des missions à long terme vers la Lune et Mars. Un séjour de six mois sur l’ISS donnera aux astronautes une dose de rayonnement provenant des rayons cosmiques équivalente à environ 25 vies à la surface. Une mission aller-retour vers Mars, y compris un certain temps sur sa surface non protégée, triplera cette exposition.
Les agences spatiales travaillent actuellement d’arrache-pied pour déterminer les effets néfastes à long terme sur la santé des dommages accumulés des rayons cosmiques et tentent de développer des systèmes pour atténuer le risque, comme la conception de capsules où la cargaison agit comme un bouclier contre les rayons cosmiques avec les astronautes humains protégés dans le centre. Même si les rayons cosmiques sont généralement une nuisance, l’évolution de la vie aurait pu être impossible sans eux. C’est l’objet des recherches de Globus, alors qu’elle étudie le rôle que jouent les rayons cosmiques dans la vie. « Les rayons cosmiques provoquent des mutations, et donc les rayons cosmiques sont liés à la capacité d’évoluer », a-t-elle déclaré.
Le lien entre les rayons cosmiques et l’évolution a longtemps été négligé, mais il suscite rapidement l’intérêt d’une variété de domaines. Par exemple, « nous ne comprenons pas la transition de la non-vie à la vie », en particulier le fait que 19 des 20 acides aminés naturels produits par les organismes vivants présentent une homochiralité, c’est-à-dire qu’ils sont structurellement disposés de manière à ne pas pouvoir se superposer à leur miroir a déclaré Globus. « Les rayons cosmiques peuvent jouer un rôle dans cette étape. »
Les rayons cosmiques
En 1925, la confirmation du rayonnement hautement pénétrant de «l’espace fini» a été annoncée par Robert A. Millikan, les appelant «rayons cosmiques». Il a parlé à l’Académie nationale des sciences de Madison, Wisconsin. Des tests antérieurs avec des ballons à haute altitude, ou au sommet de montagnes, sont restés peu concluants quant à l’origine extraterrestre. Les rayons, pensait-il alors, pourraient être d’origine locale à partir de matières radioactives. Cependant, en 1925, des mesures qu’il a faites jusqu’à 27 m sous le lac Muir (altitude 3540 m) et le lac Arrowhead (alt. 1530 m) ont montré que les rayons atteignaient des profondeurs données dans chacun avec des quantités comparables. Ainsi, la différence d’atmosphère de 2 km n’est pas à l’origine des rayons, ils avaient 18 fois le pouvoir de pénétration de tous les rayons gamma connus et étaient peut-être les «cris de naissance» des atomes infantiles issus de la fusion ou de la capture d’électrons.
À propos de Robert Andrews Millikan (22 mars 1868-19 décembre 1953)
Physicien américain qui a reçu le prix Nobel de physique en 1923 pour « ses travaux sur la charge élémentaire de l’électricité et sur l’effet photoélectrique ». La célèbre expérience de goutte d’huile de Millikan (1911) était de loin supérieure aux déterminations précédentes de la charge d’un électron et montrait en outre que l’électron était une particule fondamentale et discrète. Lorsque sa valeur a été substituée dans la formule théorique de Niels Bohr pour le spectre de l’hydrogène, cette théorie a été validée par les résultats expérimentaux. Ainsi, les travaux de Millikan ont également fourni de manière convaincante la première preuve de la théorie quantique de l’atome de Bohr. Dans des travaux ultérieurs, Millikan a inventé le terme «rayons cosmiques» en 1925 lors de son étude du rayonnement de l’espace extra-atmosphérique. 
https://www.iop.org/explore-physics/physics-around-you/understanding-surroundings/cosmic-rays#gref
https://www.space.com/32644-cosmic-rays.html
https://todayinsci.com/3/3_22.htm#MillikanRobert
http://scihi.org/victor-hess-cosmic-rays/
https://www.livescience.com/cosmic-rays
https://todayinsci.com/11/11_09.htm#event
21 octobre 1970 – Décès de John T. Scopes, professeur américain de Dayton, dans le Tennessee
21 octobre 1970 – John T. Scopes, professeur américain de Dayton, dans le Tennessee