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Que sont les rayons cosmiques ?

En regardant le ciel, nous voyons des objets lumineux : le Soleil bien sûr, des planètes, étoiles et nébuleuses … Ces astres nous envoient de la lumière, des ondes électromagnétiques. Avec des télescopes spécialisés nous pouvons aussi détecter des ondes électromagnétiques invisibles à l‘œil humain, comme les émissions infra rouge ou ultra violet, les ondes radio, rayons X et gamma.

Depuis le début du 20ème siècle nous savons que la Terre n’est pas seulement frappée par de telles ondes, mais aussi par des particules chargées de haute énergie, des protons, ions, électrons qui nous parviennent pratiquement à la vitesse de la lumière. On appelle ces particules les rayons cosmiques. Elles nous racontent une histoire de l’Univers que nous ignorions si le seul messager était la lumière.

Les rayons cosmiques nous fournissent un outil d’exploration de l’Univers, mais ils ont de plus un effet direct sur la Terre. Nous voulons observer ces particules afin de comprendre leur origine, pour les utiliser en tant que traceurs des perturbations d’origine solaire et pour surveiller leurs effets sur la technologie et les êtres humains.


D’où viennent-ils ?

Les rayons cosmiques viennent de régions de l’Univers où ont lieu des processus violents : des explosions stellaires (des supernovae), des galaxies actives, et également du Soleil.

Les rayons cosmiques galactiques heurtent la Terre en permanence. Leur nombre varie toutefois, en fonction de l’activité du Soleil. Des particules accélérées dans l’atmosphère du Soleil, appelées parfois des rayons cosmiques solaires, sont sporadiques. Elles arrivent en sursauts qui se superposent au flux permanent de particules depuis l’Univers lointain.


Comment les observer ?

Les rayons cosmiques ne parviennent pas directement au sol de la Terre, mais entrent en collision avec les atomes de la haute atmosphère. Ils engendrent ainsi de nombreuses particules secondaires : des protons, neutrons, muons et électrons. Si la particule primaire a une vitesse d’au moins 200,000 km/s, à savoir deux tiers de la vitesse de la lumière, un nombre important de nucléons (protons, neutrons) secondaires, de muons et d’autres espèces de particules peut être détecté par des compteurs de particules au sol près des pôles magnétiques de la Terre.

Le champ magnétique de la Terre est un autre filtre. Il ne joue aucun rôle aux pôles magnétiques de la Terre. Mais plus on s’approche de l’équateur, plus rapide doit être la particule primaire pour franchir le champ magnétique et parvenir à l’atmosphère de la Terre. Des compteurs de particules placés à différents endroits de la Terre mesurent donc des rayons cosmiques ayant des vitesses différentes – ils mettent en évidence le spectre d’énergie des rayons cosmiques.


Qu’est-ce qu’un moniteur à neutrons ?


Afin d’accroître le nombre de particules détectées, les compteurs des moniteurs à neutrons sont entourés d’une couche de plomb. Les nucléons secondaires, ainsi que quelques muons, y produisent de nombreux neutrons supplémentaires. Le moniteur à neutrons compte ces neutrons-là, mais ils révèlent finalement le flux des rayons cosmiques incidant sur le haut de l’atmosphère de la Terre.


Des moniteurs à neutrons furent utilisés dès les années 1950. Ils sont toujours l’instrumentation adéquate pour la mesure des rayons cosmiques provenant du Soleil et de la composante basse énergie du rayonnement cosmique venant d’ailleurs dans l’Univers.


Pourquoi les rayons cosmiques nous intéressent-ils ?

Les rayons cosmiques sont une formidable source d’information sur l’Univers violent. Nous cherchons à comprendre dans quelles conditions et de quelle façon des particules électriquement chargées sont accélérées à des énergies ou vitesses si élevées.

Les rayons cosmiques nous permettent d’autre part de surveiller des perturbations du milieu interplanétaire qui peuvent frapper la Terre. Des observations pendant de nombreuses années montrent que l’intensité du rayonnement cosmique galactique est modulée par le champ magnétique de l’Héliosphère : lorsque beaucoup de taches sont vues à la surface du Soleil, le champ magnétique est fort et l’intensité du rayonnement cosmique galactique à la Terre est réduite. Mais quand il n’y a pas de taches, l’écran magnétique est faible, et de nombreux rayons cosmiques atteignent la Terre. Des variations plus rapides de l’intensité peuvent être engendrées par des éruptions solaires, lorsque du champ magnétique est expulsé dans l’Héliosphère.

Finalement, les rayons cosmiques ont un certain impact sur la Terre. Ils affectent l’atmosphère de la Terre : par la production de particules secondaires, lors de la collision avec des atomes de l’atmosphère, ainsi que par l’ionisation des atomes de l’atmosphère. Des particules chargées rapides sont aussi une source d’irradiation, tout comme les rayons X. Alors que les rayons cosmiques semblent avoir peu d’effet au sol de la Terre, grâce à l’atmosphère épaisse qui en absorbe la plupart, les équipages d’avions sont moins protégés. Les lois européenne et française imposent la surveillance des doses de radiation reçues par les équipages de l’aviation. Les mesures des moniteurs à neutrons fournissent les données de base.



L’information de cette page est disponible (en Anglais) dans la première brochure NMDB) (pdf / 2Mb.