DE L'ASTRONOMIE : la saga des rayons cosmiques

     Adolescent, je m’étais quelque peu enthousiasmé à la lecture de l’œuvre monumentale de Cordwainer Smith intitulée les « Seigneurs de l’Instrumentalité ». Cet auteur de science-fiction — aujourd’hui injustement oublié — imaginait entre autres un mode de propulsion interplanétaire assez original : d’immenses vaisseaux pouvant transporter des dizaines de milliers de passagers et mus par des voiles gigantesques activées par la lumière des étoiles… Poétique à défaut d’être réellement praticable (encore que…). Je me souviens de la remarque d’un de mes camarades d’alors : il aurait plutôt dû choisir une propulsion par les rayons cosmiques ! Sauf que ni lui, ni moi ne savions ce qu’étaient vraiment ces entités au nom pourtant alléchant… Aujourd’hui, bien des années plus tard, une grande partie du mystère a enfin été levée mais il aura quand même fallu un siècle d’observations et d’interrogations…

Une observation dérangeante

     La théorie en vigueur au début du XXème siècle était que plus on s’élevait dans l’atmosphère, moins on devait rencontrer d’air ionisé. Rappelons que l’ionisation consiste à modifier la charge d’un atome (ou d’une molécule) en ajoutant ou retranchant un élément, l’atome ainsi modifié étant alors appelé un ion. Jusque là, depuis sa découverte en 1900 par le physicien écossais Charles Wilson, on pensait que l’origine du rayonnement produisant ce phénomène d’ionisation était purement terrestre. Effectivement, il paraissait logique d’attribuer un tel événement aux particules radioactives émises par le sol terrestre, seules susceptibles de « ioniser » d’autres atomes.

     En 1912, alors âgé de 39 ans, le physicien autrichien Victor Franz Hess, embarqué avec ses collaborateurs dans un ballon d’altitude, démontra exactement le contraire, à savoir que le rayonnement ionisé présent dans l’atmosphère terrestre ne peut être que d’origine cosmique. Heiss remarqua en effet que si l’ionisation atmosphérique décroît comme prévu par la théorie jusqu’à l’altitude de 700 m, elle croît à nouveau au-delà. Plus encore, il n’existe alors que peu de différence entre sa concentration diurne et nocturne. Il en déduisit fort logiquement que la provenance du rayonnement responsable de cet état était d’origine cosmique, c’est-à-dire extérieure au système solaire. Oui, mais d’où peut-il bien provenir, ce rayonnement, et quelle en est la nature ? Ces questions, sans cesse débattues, tiendront en haleine les scientifiques plus de cent ans. Aujourd’hui, grâce aux observations du satellite américain Fermi, lancé en 2008 et dédié à l’étude des rayons de haute énergie émis par les corps célestes, on connaît les réponses.

Nature des rayons cosmiques

     Chaque seconde, notre Terre est bombardée par des flots de particules dites de haute énergie tant elles sont accélérées par un phénomène resté jusque là inexpliqué. Quelles sont ces particules ? Eh bien, il s’agit de particules de matière mais de matière subatomique, c'est-à-dire – pour le dire rapidement – des morceaux d’atomes tels que protons, neutrons, électrons et noyaux atomiques (voir le sujet : les constituants de la matière). Pour être plus précis, 90% de ces particules sont des protons, 1 % des électrons et le reste des morceaux d’atomes comme l’hélium, le bore, le lithium, etc. Précisons que ces particules subatomiques ne furent pas reconnues comme telles d’emblée. En effet, bien des scientifiques pensaient qu’il s’agissait non pas de particules mais de rayons lumineux (photons) et il faudra attendre 1930 pour éliminer cette hypothèse en démontrant que le flux de ces mystérieux éléments varie selon l’intensité du champ magnétique terrestre (auquel un photon est par définition insensible puisqu’il n’a pas de masse).

     Ce qui est remarquable, c’est la vitesse gigantesque de ces particules électrisées microscopiques et, par voie de conséquence, l’énergie fantastique qu’elles renferment et qui peut dépasser mille fois l’énergie maximale développée par l’accélérateur de particules du CERN, à Genève, celui-là même qui a récemment mis en évidence le boson de Higgs (voir le sujet). Le phénomène étant permanent et provenant de tous les coins du cosmos, il n’en fallait pas plus pour que les scientifiques se posent la question : quel peut donc être la nature du phénomène cosmique si puissant qui entraîne ce bombardement ?

Un phénomène mystérieux qui a fait avancer la physique fondamentale…

     Lorsque ces particules subatomiques bombardent notre planète, elles se heurtent forcément aux particules de l’atmosphère terrestre et le choc avec elles de ces protons « extraterrestres » voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière entraîne des gerbes de particules secondaires. Exactement comme on cherche à le faire dans un accélérateur de particules afin de connaître les constituants intimes de la matière… sauf qu’on est alors plus de 20 ans avant la construction de ces machines ! C’est une aubaine formidable pour les scientifiques de l’époque qui ne s’y trompent pas. Bien sûr, on ne sait pas ce qui provoque ce phénomène mais en l’étudiant attentivement on va mettre en évidence nombre de particules élémentaires (positrons, muons, etc.) ce qui fera considérablement avancer la physique fondamentale… et le nombre des prix Nobel.

…mais dont on ne connaissait pas la source

     Trouver l’origine d’une source de lumière est en définitive assez simple. En effet, les photons voyagent en ligne droite et ils ne sont que peu perturbés par leur environnement. Tout au plus peuvent-ils être occultés par une autre source lumineuse, plus intense ou plus proche. A moins qu’ils ne soient réfléchis ou déviés par un obstacle facile à identifier. C’est tellement vrai que c’est grâce à eux que l’on a pu mettre en évidence la courbure de l’espace et ainsi démontrer de façon catégorique le bien fondé de la théorie de la relativité générale.

     Mais des particules subatomiques, électrisées de surcroit ? Le moindre champ magnétique les fait dévier or, des champs magnétiques divers, ce n’est pas ce qui manque dans et entre les galaxies. Du coup, le petit bombardement que nous subissons quotidiennement provient de partout… et de nulle part : impossible d’en connaître l’origine véritable.

     Dans les années 1935, les astronomes Walter Baade et Fritz Zwicky (celui qui, le premier, a par ailleurs émis l’idée de l’existence d’une matière noire) abordent la question selon l’approche théorique suivante : 1. ces particules sont incroyablement rapides et énergétiques ; 2. Il faut donc un phénomène d’une violence extrême pour les accélérer ainsi or 3. Quels sont les événements les plus violents de l’Univers ? L’explosion des supernovas ! Il faut dire que Zwicky était particulièrement concerné car il reste à ce jour le plus grand découvreur de supernovas (plus de 120), un terme d’ailleurs inventé par lui.

     Une supernova – nous l’avons déjà expliqué dans un sujet précédent – est le stade ultime de la vie d’une étoile géante (entre 8 et 30 masses solaires, voire plus). Ces monstres stellaires – dont la vie comparée à celle des autres étoiles est relativement courte – finissent tous de la même façon. On trouvera une explication plus complète de ces fins de vie apocalyptiques dans le sujet dédié (voir : novas et supernovas). Rappelons néanmoins succinctement de quoi il s’agit : le phénomène  le plus fréquent concerne des étoiles dont la taille est supérieure à huit masses solaires (il existe d’autres sources de supernovas à partir de naines blanches mais ne compliquons pas inutilement le sujet). Ces énormes étoiles commencent donc comme les autres à transformer l’hydrogène en hélium mais, du fait de leur masse gigantesque, les pressions en jeu leur permettent de poursuivre la synthèse d’atomes plus massifs pour aboutir, en fin de cycle, à du fer dont les atomes très stables ne peuvent fusionner. Dès lors, cette masse finit par s’effondrer sur elle-même et aboutit à une sorte de magma de neutrons (d’où leur nom d’étoiles à neutrons). Les masses extérieures de l’étoile, quant à elles, rebondissent sur ce cœur d’acier et sont projetées dans l’espace sous la forme d’une enveloppe stellaire s’étendant à la vitesse de plusieurs milliers de km par seconde dans une débauche d’énergie qui fait briller l’étoile comme des milliards de soleils. Dans certains cas, cette luminosité est si intense qu’elle masque durant quelques temps la lumière de la galaxie où elle se trouve, pourtant composée de centaines de milliards d’étoiles…

     Il s’agit ici d’un des phénomènes les plus violents qui puisse se rencontrer dans l’Univers. Un phénomène qui projette dans l’entourage de l’étoile géante des radiations multiples dont on dit qu’elles seraient capables de détruire toute vie sur des dizaines d’années-lumière de distance. Heureusement, de tels cataclysmes sont en définitive assez rares : depuis que les hommes utilisent des instruments d’observation modernes, aucune supernova n’a été signalée dans la Voie lactée mais seulement dans d’autres galaxies.

     Baade et Zwicky en sont convaincus : ce sont ces explosions gigantesques qui créent les rayons cosmiques… mais butent sur un problème : comment expliquer l’incroyable accélération donnée à ces particules subatomiques qui, répétons-le, voyagent presque à la vitesse de la lumière ?

Une explication théorique est avancée

     Nous sommes en 1970, presque quarante ans après les intuitions de Baade et Zwicky. Les idées ont avancé, notamment en ce qui concerne l’étude des plasmas chauds astrophysiques et thermonucléaires d’origine naturelle (magnétohydrodynamique). Du coup, les équations n’excluent plus formellement les théories des deux astronomes. L’accélération immense des particules cosmiques pourrait se faire à la frontière de l’onde de choc créée par la supernova : en passant et repassant des milliers de fois cette onde de choc, les particules seraient chaque fois accélérées jusqu’à presque atteindre la vitesse de la lumière… L’idée est séduisante mais ce n’est qu’une hypothèse : comment faire pour visualiser de façon certaine le phénomène ?

     Or, on sait depuis les années 1960 une chose très importante : lorsqu’elles rencontrent des atomes interstellaires, certaines de ces molécules cosmiques émettent une lumière très vive sous la forme de photons de haute énergie appelés « rayons gamma ». Ce sont eux que les télescopes vont chercher à capter mais ce n’est qu’en 2004 que la quête se révèle fructueuse grâce à un télescope situé en Namibie (expérience H.E.S.S, d'après le nom du découvreur des rayons cosmiques) : des rayons gamma sont identifiés et ils le sont au voisinage de supernovas. Confirmation quelques années plus tard, en février 2012, par le VLT du Chili qui s’était intéressé plus particulièrement à la supernova SN 1006… A défaut de preuves formelles, les éléments de suspicion s’accumulent…

Supernovas et superbulles

     L’endroit où se désintègre une supernova est appelé par les astronomes superbulle. De quoi s’agit-il ? Nous avons vu que la désintégration d’une supernova passait pas l’expulsion de son enveloppe externe et donc la propagation d’une onde de choc. Il se crée ainsi un espace qui peut s’étendre sur plusieurs dizaines d’années-lumière de large, espace dont les gaz qui y sont présents sont soumis à l’intense lumière ultraviolette de l’étoile agonisante et ainsi portés à des températures inimaginables. C’est dans cette superbulle que les particules cosmiques sont longtemps piégées (des milliers d’années) rebondissant encore et encore jusqu’à presque atteindre la vitesse de la lumière (c’est la raison pour laquelle on dit de ces particules qu’elles sont « relativistes ») avant de s’échapper enfin pour, mus par une vitesse et une énergie colossale pour leur taille, venir s’éclater à l’autre bout de l’Univers sur des particules « naturelles » comme, par exemple, celles de l’atmosphère terrestre.

     Ces fameux rayons gamma ne sont pas si faciles à mettre en évidence, en tout cas à partir d’un observatoire terrestre car ils sont presque tous arrêtés par les couches supérieures de l'atmosphère de notre planète. C’est pour cela que les scientifiques ont mis beaucoup d’espoirs dans des études « hors atmosphère terrestre ». Et leurs attentes ont été récompensées. Lancé en 2008, le laboratoire spatial américain Fermi, a ainsi pu mettre en évidence un excès significatif de rayons gamma dans un amas d’étoiles géantes de la constellation du Cygne, des étoiles situées à 4500 années-lumièrede nous,

précisément dans les superbulles qui les entourent et qui sont donc - on en a à présent la preuve - les lieux de naissance de ces mystérieux rayons cosmiques. Il aura fallu encore quatre ans supplémentaires d’étude des spectres de ces extraordinaires particules pour élucider ce mystère vieux de près de cent ans !

De la ténacité, encore et toujours

     Un peu à la façon de la découverte du boson de Higgs (dont les scientifiques ont prédit l’existence pendant des dizaines d’années avant de le mettre enfin en évidence il y a quelques mois), l’énigme des rayons cosmiques aura occupé les esprits durant des décennies. Ce qui est remarquable dans cette histoire à rebondissements, c’est que jamais les scientifiques ne se sont découragés. Si grâce à des esprits talentueux, une explication logique a été émise il y a plus de soixante-dix ans, il aura fallu attendre l’appui de la technique pour apporter des preuves définitives. Mais je suis certain d’une chose : Fritz Zwicky aurait été heureux de savoir que son hypothèse était la bonne mais, dans le cas contraire, il aurait tout aussi bien accepté d’être désavoué car, au-delà de son caractère particulièrement irascible, c’était avant tout un scientifique. Un vrai.

 Sources :

1. sciencesetavenir.nouvelobs.com/espace/20111128.OBS5515/les-superbulles-sources-de-rayons-cosmiques.html

2. www.journaldelascience.fr/espace/articles/les-rayons-cosmiques-naissent-dans-les-superbulles-2427

3. Science & Vie, n° 1149, juin 2013

4. www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-origine-rayons-cosmiques-fermi-confirme-piste-supernovae-44670/

Images :

 1. les restes (rémanent) de la supernova de 1066 (sources : www.cidehom.com)

2. départ de Victor Heiss pour la haute atmosphère (sources : www.nytimes.com)

3. gerbe de rayons cosmiques (sources : www.lesia.obspm.fr)

4. l'astronome Fritz Zwicky (sources : soundcloud.com)

5. vue d'artiste d'une supernova (source : www.cafardcosmique.com)

6. rayons gamma (sources : www.linternaute.com)

7. superbulle HENIZE 70 (sources : fr.wikipedia.org)

8. le laboratoire spatial Fermi (sources : www.interactions.org)

 (pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Cordwainer Smith - ionisation - Charles Wilson - Victor Franz Hess - satellite Fermi - particules subatomiques - champ magnétique terrestre - accélérateur de particules - Walter Baade - Fritz Zwicky - supernova - étoile à neutrons - rayons gamma - superbulles

  (les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

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mise à jour : 15 mars 2023