Radiația cosmică este fluxul de nuclee atomice si particule de energie înaltă (adică relativista ) care circulă în mediul interstelar . Radiația cosmică este alcătuită în principal din particule încărcate: protoni (88%), nuclei de heliu (9%), antiprotoni , electroni , pozitroni și particule neutre ( raze gamma , neutrini și neutroni ). Sursa acestei radiații este în funcție de caz în soare, în interiorul sau exteriorul a galaxiei . Unele dintre astroparticulele care alcătuiesc radiația cosmică au o energie care depășește 10 20 eV și care nu este explicată prin niciun proces fizic identificat.
Descoperirea radiației cosmice are loc la începutul XX - lea secol , cu observațiile lui Victor Francis Hess a făcut în 1912 dintr - un balon. Este identificat inițial prin rolul său în ionizarea atmosferei Pământului. Observarea directă de la sol a celor mai energice componente ale radiației cosmice nu este posibilă deoarece interacționează cu atmosfera atunci când o pătrunde și produce particule secundare. Abia la sfârșitul anilor 1950 a fost capabil să facă primele observații directe folosind instrumente la bordul sateliților artificiali sau al baloanelor stratosferice . Radiația cosmică de mare energie , precum radiația electromagnetică, este o sursă unică de informații despre fenomenele de origine galactică și extragalactică. Dar caracteristicile sale (energie, lipsă) fac dificile observațiile precise. În plus, interacțiunile importante cu mediul galactic și extragalactic complică interpretarea datelor colectate pentru a determina sursa și natura acesteia.
Unele dintre razele cosmice cu energie redusă (relativ la restul razelor cosmice: de ordinul MeV ), prinse de câmpul magnetic terestru , participă la formarea centurilor Van Allen . Razele galactice sau extragalactice pot trece prin noi, pot interfera cu ADN-ul , pot trece prin roci și clădiri și pot pătrunde profund solurile și subsolurile planetare. Acestea contribuie cu 14% la radioactivitatea naturală totală de pe suprafața Pământului.
Prima observație care a dus la descoperirea razelor cosmice a avut loc în 1900, când fizicianul Charles Thomson Rees Wilson a descoperit că atmosfera era ionizată continuu. Apoi, el presupune că acest fenomen se datorează radiației naturale a Pământului . Cercetările sale privind electricitatea atmosferică, ionizarea și condensarea l-au determinat să proiecteze prima cameră de ceață .
Dar repede, oamenii de știință ai zilei au fost nedumeriți de excesul de ioni față de cantitatea normală datorată radiațiilor naturale din sol. În 1912 , fizicianul austriac Victor Franz Hess a măsurat rata de ionizare în funcție de altitudine cu un electrometru cu frunze de aur la bordul unui balon . Ionizarea scade la 700 m , apoi crește dincolo. Există o diferență mică între zi și noapte. Hess concluzionează că radiația este de origine cosmică, adică vine din afara sistemului solar . Aceste rezultate sunt confirmate de Robert Andrews Millikan care lucrează cu baloane meteorologice .
Hess crede, de asemenea, că această radiație este neutră electric. Această ipoteză a fost pusă sub semnul întrebării în 1928, când s-a descoperit că cea mai mare parte a radiațiilor care ajung la suprafața Pământului constau din particule încărcate. Millikan presupune apoi că acestea din urmă rezultă din interacțiunea dintre razele neutre din spațiu ( radiații gamma ) și moleculele din atmosferă. Arthur Compton demonstrează că radiația este de fapt variabilă în funcție de latitudinea în care este măsurată (mai slabă la ecuator decât la poli) datorită influenței câmpului magnetic al Pământului , demonstrând astfel că este vorba despre particule încărcate.
În 1938 , astronomul francez Pierre Auger a descoperit că penetrarea particulelor declanșează dușuri atmosferice formate din așa-numitele particule „secundare” - spre deosebire de particulele „primare” care constituie fluxul înainte de interacțiunea sa cu atmosfera.
Este încărcat în principal cu protoni (88%), nuclei de heliu (9%), restul constând din electroni , nucleoni diferiți (nuclei atomici), precum și cantități mici de antimaterie. Ușoare ( antiprotoni și pozitroni ). Partea neutră este alcătuită din raze gamma , precum și neutrini . Acesta din urmă nu este întotdeauna numărat în radiația cosmică.
Cea mai abundentă particulă la nivelul mării este muonul , deoarece interacționează puțin cu materia: există în medie una pe centimetru pătrat pe minut. În ciuda duratei sale de viață de 2,2 µs , care corespunde unei distanțe maxime de 660 m la viteza luminii , muonul parcurge distanțe mult mai mari datorită efectului de dilatare a timpului prezis de relativitatea specială .
Particulele primare (care ajung în atmosferă) au o energie care poate ajunge la 10 20 eV . În afară de neutrini , particulele detectate pe sol sunt în esență particule secundare provenite de la dușurile atmosferice , cu o energie mult mai mică.
Spectrul de radiații este funcția care leagă fluxul incident al particulelor de energia lor. Figurile opuse au o scară logaritmică pentru a integra amplitudinea foarte mare a valorilor energiilor și fluxurilor. Spectrul prezentat aici este cel al radiației primare , adică înainte de interacțiunea acestei radiații cu atmosfera.
Acest spectru este în mod clar „non-termic”, adică nu rezultă din emisia unui corp la o anumită temperatură (spectrul corpului negru ). Panta liniei arată că fluxul scade rapid conform unei legi a puterii. Exponentul legii puterii se numește „indicele spectral”. Valoarea sa generală este de 2,8.
Există, totuși, două pauze remarcabile în pantă, deși destul de vizibile cu ochiul liber:
Cele mai energice particule provin din spațiul interstelar și intergalactic. Unele dintre aceste particule sunt deviate de vântul solar - la originea aurorelor polare - care, la rândul său, aduce ioni și electroni . Astfel, activitatea solară are un efect măsurabil asupra cantității de radiații de origine galactică primită.
Cunoașterea actuală ar putea explica accelerarea particulelor până la nivelul „genunchiului” (cf. definiția de mai sus) prin procese astrofizice violente precum șocurile. Ar avea ca origine explozia supernovelor , conform ipotezei prezentate în 1949 de fizicianul italian Enrico Fermi , dar acest lucru nu este confirmat în prezent. Sunt prevăzute alte surse, care apelează la cele mai energice fenomene astronomice cunoscute în natură: nucleul activ al galaxiei , explozia de raze gamma , gaura neagră , hipernovele etc. Prin împingerea acestor modele, este posibil să se găsească o explicație pentru accelerarea particulelor de până la 10 20 eV . Cu toate acestea, lipsa de informații cu privire la razele cosmice la energii atât de mari nu permite constrângerea acestor modele.
Pentru cele mai energice particule, particulele zetta , dincolo de gleznă ( 4 × 10 19 eV ) există încă foarte puține observații (mai puțin de un duș pe an în observatoare foarte specializate, cum ar fi Fly's Eye de la Universitatea din Utah și Akeno Giant Air Shower Array ( Rețeaua Akeno pentru cascade uriașe atmosferice ).
În 2017, primele confirmări ale originii geografice a radiațiilor de mare energie au fost date de publicarea rezultatului a 12 ani de măsurători efectuate din 2004 la Observatorul Pierre-Auger din Malargüe din Argentina : această radiație este în mod clar extragalactică, provenind din galaxii situate într-o parte a spațiului dincolo de limitele Căii Lactee. Observatorul a capturat și a studiat în jur de 30.000 de raze cu energii care depășesc 8 × 10 18 electroni-volți. Studiul distribuției unghiulare a intrărilor lor în atmosferă a ajuns să evidențieze un model (ușor dipolar) pe sfera cerească . Acest model a fost situat opus direcției Căii Lactee . Prin urmare, acest flux ar proveni dintr-un exces de galaxii situate la o sută de milioane de ani lumină distanță . Rămâne să înțelegem mecanismul producției sale; specialiștii se apleacă spre fenomene născute din mediul unor găuri negre uriașe și / sau prăbușirea stelelor super-masive .
Big Bang , baryogenesis , materiei întunecate sunt cadrele de cercetare care utilizează tehnici experimentale dezvoltate în fizica particulelor pentru a efectua de mare și de astronomie foarte mare de energie.
Principalele teme de cercetare sunt:
În prezent sunt utilizate mai multe metode de detectare a razelor cosmice de la sol. Telescoapele Cherenkov detectează razele cosmice cu energie scăzută (<200 GeV) prin analiza radiației lor Cherenkov , raze gamma emise când trec prin atmosferă la viteze mai mari decât viteza luminii în aer. Aceste telescoape deosebesc foarte eficient radiațiile cerului de fond de cele de origine atmosferică, dar pot funcționa doar în nopțile senine, fără lună și au un câmp vizual foarte îngust. Un alt tip de telescop Cherenkov folosește același efect în apă; aceste două tipuri de telescoape sunt cuplate (într-un mod unic în lume) la observatorul Pierre-Auger .
Detectarea prin pulverizare (EAS, pentru Extensive Air Shower ) este o altă metodă, constând în măsurarea particulelor încărcate provenite din interacțiunea unei raze cosmice cu atmosfera, folosind panouri de scintilatoare organice (plastic). Această metodă face posibilă observarea razelor cosmice mult mai energice, pe o întindere mare a cerului și aproximativ 90% din timp; dar este mai puțin eficientă pentru a distinge razele cosmice de alte tipuri de radiații decât fac telescoapele Cherenkov.
O a treia metodă a fost dezvoltată de Robert Fleischer, P. Buford Price (în) și Robert Walker (în) pentru utilizare în baloane la mare altitudine. Foi de plastic transparent (de exemplu , policarbonat , 0,25 mm grosime), sunt suprapuse și expuse direct la razele cosmice, care provoacă rupturi de legături chimice sau ionizări ale plasticului. În partea de sus a stivei, efectul este mai mic, datorită vitezei mari a particulelor, dar pe măsură ce viteza scade, ionizarea crește pe măsură ce trece prin diferitele foi; prin dizolvarea plasticului, sapăm apoi cavități conice, care sunt măsurate (cu un microscop de mare putere). Aceste cavități sunt diferite pentru fiecare traiectorie, ceea ce face posibilă măsurarea sarcinii și a energiei razei cosmice care a trecut prin dispozitiv: această metodă este de asemenea utilizată pentru a detecta nucleele produse în fisiunea nucleară .
Pentru măsurarea radiației cosmice de energie joasă ( 450 MeV - 15 GeV ), John A. Simpson a dezvoltat monitorul de neutroni în 1948. Aceste monitoare, folosind un principiu similar cu contoare Geiger , s- au dezvoltat în special cu prilejul. Geofizic Anul Internațional 1957 ( Contor tip IGY). Succesorii lor, supermonitorii NM64, sunt în prezent cei mai utilizați. Rețeaua globală de monitoare utilizate în principal pentru a studia protonele cu rachete solare (GLE for Ground Level Enhancement), pentru ejectiile de masă coronală (CME) care duc la un efect Forbush (în) sau pentru a estima dozele de radiații primite de personalul de zbor. Din 2007, majoritatea monitoarelor de neutroni și-au distribuit datele în timp real datorită rețelei mondiale de monitoare de neutroni ( NMDB (en) ) care, în 2017, reunește aproximativ patruzeci de stații.
O metodă finală utilizează camere de ceață sau camere cu bule pentru a detecta muoni secundari creați în timpul decăderii unui pion . Camerele de ceață în special sunt ușor de realizat, chiar și într-un laborator simplu de liceu.
Capacitatea muonilor cosmici de a trece prin materie poate fi exploatată în tomografie . De fapt, atenuarea fluxului de particule este o funcție a densității mediului trecut. Această tehnică a fost folosită în special de laureatul Nobel pentru fizică Luis Walter Alvarez pentru a căuta camere ascunse în piramida Khafre , în Egipt , dar nu a dat rezultate convingătoare în acest caz. Lucrările recente efectuate la vulcanul Soufrière din Guadelupa sugerează, de asemenea, o aplicație la geofizică . Razele cosmice sunt, de asemenea, utilizate pentru a măsura adâncimea zăpezii: NRC ( radiația cosmică a zăpezii ) este utilizată de EDF .
Această radiație, care reprezintă 15% din radioactivitatea naturală, poate fi ionizantă și capabilă să rupă ADN-ul, provocând cancer și malformații genetice. La nivelul solului, este dispersat pe scară largă de magnetosferă sau blocat de atmosferă și particulele sale suspendate. Cu toate acestea, personalul de zbor al aeronavei și, a fortiori, astronauții pot fi expuși la aceasta într-un mod mai semnificativ (de exemplu: doza efectivă anuală de 2 până la 5 mSv la zborurile pe distanțe lungi), mai ales că aeronava zboară la mare altitudine. În Franța, la începutul anilor 2000, un sistem de informare și evaluare pe zbor de expunere la radiații cosmice în transportul aerian (cunoscut sub numele de „proiectul SIEVERT”) a fost înființat împreună cu companiile aeriene. Organizațiile aviatice și profesionale își propun să stabilească dozimetrie de reglementare, operațională pentru companii, permițând un calcul al dozei pentru fiecare zbor pe baza parametrilor reali (luând în considerare luminile solare (GLE), cu „estimarea dozei și informații pentru public” .
Razele cosmice sunt suficient de energice pentru a modifica starea unei componente electronice dintr-un circuit integrat, ceea ce poate provoca erori tranzitorii, cum ar fi corupția datelor din RAM , precum și performanțe slabe ale procesorului , adesea numite erori. „ Soft error (in) ” (nu să fie confundat cu erori de software cauzate de erori de programare sau bug-uri). Aceasta a fost o problemă pentru electronice la altitudini foarte mari, cum ar fi sateliții, dar cu tranzistoarele din ce în ce mai mici, devine o preocupare mai mare. Studiile efectuate de International Business Machines (IBM) în anii 1990 sugerează că computerele se confruntă cu aproximativ o eroare pe lună pentru fiecare 256 megabyte de RAM din cauza razelor cosmice. Pentru a atenua această problemă, Intel a propus un detector de raze cosmice care ar putea fi integrat în viitoarele microprocesoare cu finețe redusă a arderii, permițând procesorului să execute din nou ultima comandă după raza cosmică. Razele cosmice sunt suspectate a fi cauza unui incident de furt din 2008 în care un avion de linie Airbus A330 al companiei Qantas , care a plonjat de două ori la sută de metri după o defecțiune inexplicabilă a pilotului automat. Mai mulți pasageri, precum și membri ai echipajului au fost răniți, unii grav. După acest incident, anchetatorii de accidente au stabilit că sistemul de control al zborului a primit o creștere de date inexplicabilă și că întregul sistem funcționa perfect. O actualizare software a fost făcută la toate avioanele A330 și A340 din întreaga lume, permițând filtrarea electronică a acestor vârfuri de date.
Pentru a contracara aceste efecte asupra microelectronicii, există tehnici de întărire a radiațiilor.
Razele cosmice au un efect asupra formării anumitor nori , prin formarea de noi aerosoli (mici particule suspendate în aer, care formează germenul picăturilor de nori). Razele cosmice acționează asupra vaporilor organici din copaci (biogeni) și cresc rata producției de aerosoli cu un factor de 10 până la 100. Experimentul CLOUD de la CERN studiază în prezent efectele razelor cosmice asupra norilor de formare.