D’où viennent les rayons cosmiques ?

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Crédits : coffeekai/istocl

Les rayons cosmiques, des pluies de particules de haute énergie, bombardent régulièrement la Terre en provenance de l’espace lointain. Bien qu’omniprésents, leur origine demeure énigmatique et suscite un intérêt scientifique depuis plus d’un siècle.

Que sont les rayons cosmiques ?

Les rayons cosmiques sont des particules chargées de haute énergie qui se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière et qui bombardent en permanence l’atmosphère terrestre. Leur découverte remonte aux premières années du 20e siècle, tandis que le terme rayons cosmiques fut introduit en 1925 par le physicien Robert Millikan.

Nous savons désormais que chaque jour, des milliards de ces particules atteignent la Terre. Heureusement, la grande majorité d’entre elles sont arrêtées par la magnétosphère, la couche protectrice magnétique entourant la planète, ainsi que par l’atmosphère. Ces barrières naturelles agissent comme un filtre qui permet seulement à une fraction des rayons cosmiques d’atteindre la surface.

La composition de ces rayons varie, mais plus de 90 % d’entre eux sont constitués de noyaux d’hydrogène, principalement des protons. Environ 9 % sont des noyaux d’hélium et le reste, soit 1 %, se compose de noyaux d’éléments plus lourds, allant jusqu’au fer. Ces particules, communément appelées particules hadroniques, sont composées de hadrons, tels que les protons et les neutrons. Les hadrons sont quant à eux constitués de particules fondamentales appelées quarks.

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Les rayons cosmiques pleuvent constamment sur Terre. Crédits: DrPixel

Comment les rayons cosmiques deviennent-ils si énergétiques ?

Le mystère qui entoure les rayons cosmiques réside dans le processus par lequel ces particules atteignent des énergies extrêmement élevées qui les propulsent à des vitesses proches de celle de la lumière. Nous savons également que ces particules peuvent atteindre des niveaux d’énergie atteignant jusqu’à 10²⁰ électronvolts (eV). En comparaison, les accélérateurs terrestres, tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, ne peuvent accélérer des particules qu’à des énergies bien inférieures, jusqu’à 10¹³ eV.

Une théorie suggère que les particules cosmiques pourraient être accélérées par des fronts de choc créés lorsque des matériaux qui se déplacent à des vitesses extrêmement élevées entrent en collision avec des milieux qui se meuvent plus lentement. Cette rencontre générerait un changement brusque dans le milieu, créant un champ magnétique turbulent qui pourrait agir comme un puissant accélérateur naturel de particules cosmiques.

Les supernovas, des explosions qui résultent de la mort d’étoiles massives, sont considérées comme des candidats plausibles pour la génération de rayons cosmiques. Lorsqu’une supernova se produit, les couches externes de l’étoile sont en effet éjectées à des vitesses extrêmes et entrent en collision avec le milieu interstellaire, créant ainsi un résidu brillant de supernova. Il existe des preuves que ces résidus peuvent accélérer des particules jusqu’à des énergies de l’ordre de 10⁹ à 10¹² eV.

À des énergies encore plus élevées, environ 10²⁰ eV, les scientifiques suggèrent que les rayons cosmiques proviennent d’autres galaxies. Une source possible de ces rayons cosmiques de haute énergie pourrait être les noyaux galactiques actifs (AGN), situés au centre des galaxies actives. Ces AGN sont alimentés par des trous noirs supermassifs qui absorbent progressivement la matière environnante. Les jets de matière projetés à des vitesses proches de celle de la lumière lors de ce processus pourraient être une source de rayons cosmiques.

Une partie de flipper cosmique

Malgré la compréhension de ces sources potentielles, retracer ces rayons jusqu’à leur origine exacte reste difficile. Les particules chargées interagissent en effet avec les champs magnétiques pendant leur voyage à travers l’espace et subissent de nombreuses déviations.

Ainsi, au moment où les rayons cosmiques extragalactiques atteignent la Terre après avoir parcouru des millions ou des milliards d’années-lumière, ils ont été déviés et redirigés une multitude de fois, ricochant autour du cosmos comme une balle dans un flipper céleste. Cela rend la reconstruction de leur chemin d’origine presque impossible.