Des rayons cosmiques extrêmement puissants nous tombent dessus. Personne ne sait d’où ils viennent.

Vous pensez peut-être que les plus grands, les plus perplexes des mystères de l’univers existent tout là-bas, au bord d’un trou noir, ou à l’intérieur d’une étoile qui explose.

Non, les grands mystères de l’univers nous entourent, tout le temps. Ils nous imprègnent même, naviguant directement dans notre corps. L’un de ces mystères est celui des rayons cosmiques, constitués de minuscules morceaux d’atomes. Ces rayons, qui nous traversent en ce moment même, ne sont pas dangereux pour nous ou toute autre vie à la surface de la Terre.

Mais certains transportent tellement d’énergie que les physiciens sont déroutés par l’objet de l’univers qui aurait pu les créer. Beaucoup sont beaucoup trop puissants pour avoir pu provenir de notre soleil. Beaucoup sont beaucoup trop puissants pour provenir d’une étoile qui explose. Comme les rayons cosmiques ne se déplacent pas souvent en ligne droite, nous ne savons même pas d’où ils proviennent dans le ciel nocturne.

La réponse au mystère des rayons cosmiques pourrait impliquer des objets et des phénomènes physiques dans l’univers que personne n’a jamais vus ou enregistrés auparavant. Et les physiciens ont plusieurs énormes expériences en cours dans le monde entier, consacrées à résoudre l’affaire.

Bien que nous ne sachions pas d’où ils viennent, ni comment ils arrivent ici, nous pouvons voir ce qui se passe lorsque ces rayons cosmiques frappent l’atmosphère de notre planète à une vitesse proche de celle de la lumière.

Les rayons cosmiques sont des messagers de l’univers au sens large ; un rappel que nous en faisons partie, et un rappel qu’il y a encore beaucoup de mystère là-bas. Regardons de près ces particules étonnantes, qui pleuvent sur la Terre de loin.

Smashing into our atmosphere

Lorsque les particules des rayons cosmiques entrent en collision avec les atomes au sommet de l’atmosphère, elles éclatent, déchirant les atomes dans une violente collision. Les particules de cette explosion continuent ensuite à faire éclater d’autres morceaux de matière, dans une réaction en chaîne qui fait boule de neige. Certains de ces éclats atomiques touchent même le sol.

Il est possible de voir cela en action en construisant ce qu’on appelle une chambre à nuages à partir d’un bocal en verre, de feutre, de glace sèche et d’alcool isopropylique (c’est-à-dire d’alcool à friction).c’est-à-dire de l’alcool à friction). Vous trempez le feutre dans l’alcool et la glace carbonique (qui est du dioxyde de carbone solide super froid) refroidit la vapeur d’alcool qui s’échappe du feutre. Cela crée un nuage de vapeur d’alcool.

Dans cette chambre, vous pouvez voir les rayons cosmiques, en particulier ceux d’une particule appelée muon. Les muons sont comme les électrons, mais un peu plus lourds. Chaque centimètre carré de la Terre au niveau de la mer, y compris l’espace au sommet de votre tête, est frappé par un muon chaque minute.

Comme les électrons, les muons portent une charge négative. Lorsque les muons filent à travers le nuage d’alcool, ils ionisent (chargent) l’air qu’ils traversent. La charge de l’air attire la vapeur d’alcool, qui se condense en gouttelettes. Et ces gouttelettes tracent ensuite le chemin que les rayons cosmiques ont fait à travers la chambre.

Lorsque vous voyez les chemins que suivent ces muons, pensez à ceci : Ces particules subatomiques descendent en fusée vers la Terre à 98 % de la vitesse de la lumière.

Elles se déplacent si vite qu’elles subissent la dilatation temporelle prévue par la théorie de la relativité restreinte d’Einstein. Ils sont censés se désintégrer – c’est-à-dire se décomposer en composants plus petits, électrons et neutrinos – en seulement 2,2 microsecondes, ce qui signifie qu’ils feraient à peine 2 000 pieds en bas du sommet de l’atmosphère avant de mourir. Mais parce qu’ils se déplacent si vite, par rapport à nous, ils vieillissent 22 fois plus lentement. (Une chose similaire est arrivée au personnage de Matthew McConaughey dans le film Interstellar, alors qu’il accélérait sa vitesse relative à l’approche d’un trou noir.)

Si la théorie d’Einstein n’était pas vraie, nous ne verrions pas de muons dans la chambre à nuages. Heureusement, ils sont inoffensifs, se déplaçant si vite qu’ils n’ont pas le temps d’atterrir avec un impact dans votre corps. Les scientifiques peuvent faire des choses cool avec les muons, comme les utiliser pour photographier l’intérieur de la grande pyramide d’Égypte.

Rappelons que ces rayons ont potentiellement été propulsés par des forces situées au-delà de notre système solaire, par des forces qu’aucun physicien ne comprend. C’est tout simplement génial.

« Nos collègues physiciens théoriciens sont perplexes » sur la façon dont ces particules sont énergisées, dit Charles Jui, un physicien de l’Université de l’Utah à la chasse aux rayons cosmiques. « Nous n’arrivons pas non plus à comprendre d’où ils viennent. »

Les rayons cosmiques, expliqués

Le mystère des rayons cosmiques a commencé avec leur découverte en 1912. C’est à cette époque que le physicien Victor Hess a fait un tour en montgolfière et a découvert que la quantité de radiations dans l’atmosphère augmentait à mesure que l’on montait en altitude.

Il était en montgolfière pour isoler son expérience des radiations. Mais ce n’était que plus bruyant en altitude. Cela l’a amené à conclure que les radiations venaient de l’espace, et non de la radioactivité des roches de la terre.

Il a également fait ce voyage en ballon pendant une éclipse solaire totale. La lune bloquant le soleil, le rayonnement cosmique provenant du soleil aurait dû être filtré. Mais il en a quand même enregistré. Cela l’a amené à penser que le rayonnement ne provenait pas du soleil, mais de plus loin dans l’espace. Sa découverte des rayons cosmiques lui a valu le prix Nobel de physique en 1936.

La particule de rayon cosmique de plus haute énergie jamais enregistrée, appelée particule « Oh-My-God », était environ 2 millions de fois plus énergétique que le proton le plus gonflé propulsé par le Grand collisionneur de hadrons, l’accélérateur de particules le plus puissant du monde.

Cette énergie, explique Antonella Castellina, astrophysicienne italienne de l’Observatoire Pierre Auger, est similaire à celle d’un joueur de tennis de haut niveau qui frappe une balle de toutes ses forces. Cela ne semble pas beaucoup. Mais imaginez toute cette énergie comprimée dans une zone plus petite qu’un atome – c’est extrême. C’est assez d’énergie pour allumer une ampoule électrique pendant une seconde ou plus. « Personne ne sait ce qui, dans l’univers, est capable de donner à une particule subatomique une telle énergie », dit-elle.

Plus encore, les scientifiques sont déroutés de savoir comment une telle particule peut même atteindre la Terre. On pense que les particules avec des énergies aussi folles interagissent avec les radiations restantes du Big Bang et de la création de l’univers, ce qui devrait leur mettre le holà avant qu’elles ne nous atteignent.

Ce qui a créé la particule « Oh-My-God » et des rayons cosmiques aussi puissants est un mystère complet et déconcertant. (Vous vous dites peut-être : pourquoi appelle-t-on ces particules des « rayons » ? Il s’agit d’une appellation quelque peu erronée qui date de leur découverte il y a un siècle. On les appelle aussi « astroparticules ». Mais les rayons cosmiques sonnent plus cool, alors nous allons nous en tenir à cela.)

Les rayons cosmiques ont été découverts il y a 100 ans. Alors vous vous dites peut-être : Pourquoi n’arrivons-nous pas à comprendre ce qui nous envoie ces rayons cosmiques ?

Eh bien, nous savons que certains rayons cosmiques proviennent du soleil. Mais les plus puissants, les plus mystérieux, proviennent de l’immense là-bas de la galaxie et de l’univers.

Le problème lorsqu’on cherche les sources de ces rayons cosmiques de très haute énergie, c’est que les rayons ne se déplacent pas toujours en ligne droite. Les différents champs magnétiques de la galaxie et de l’univers les dévient, et les mettent sur des trajectoires sinueuses.

De nombreux rayons cosmiques qui frappent la Terre – en particulier ceux qui proviennent de notre soleil – sont déviés vers les pôles en raison du champ magnétique terrestre. C’est pourquoi nous avons les aurores boréales et australes près des pôles.

Il y a quelques énormes projets en cours pour mieux comprendre d’où viennent ces rayons cosmiques. L’un d’eux implique un bloc de glace vraiment énorme au pôle Sud.

Un énorme bloc de glace au pôle Sud est un détecteur géant de rayons cosmiques

Il n’y a pas grand-chose de vivant au fond du monde, sauf pour les physiciens. Là-bas, au pôle Sud, ils ont construit l’Observatoire de neutrinos IceCube, forgé directement dans la glace sous la surface du pôle Sud.

C’est un bloc d’un kilomètre cube (environ 1,3 milliard de mètres cubes) de glace cristalline entouré de capteurs. Ces capteurs sont mis en place pour détecter quand des particules subatomiques appelées neutrinos – qui voyagent avec d’autres particules subatomiques dans les rayons cosmiques – s’écrasent sur la Terre.

La façon dont cela fonctionne n’est pas si différente de l’expérience de la chambre à nuages que nous vous avons montrée ci-dessus. Il s’agit d’essayer de tracer le chemin que fait un type très spécial de rayon cosmique – appelé neutrino – à travers l’observatoire.

Les neutrinos sont différents des autres composants des rayons cosmiques d’une manière vraiment importante : Ils n’interagissent pas du tout avec les autres formes de matière. Ils n’ont pas de charge électrique. Cela signifie qu’ils voyagent dans l’univers en ligne relativement droite, et que nous pouvons remonter jusqu’à une source.

« Si j’éclaire une lampe de poche à travers un mur, la lumière ne passera pas », m’a dit Naoko Kurahashi Neilson, physicienne des particules à l’université Drexel. « C’est parce que les particules de lumière, les photons, interagissent avec les particules du mur et ne peuvent pas pénétrer. Si j’avais une lampe de poche à neutrinos, ce flux de neutrinos traverserait le mur. »

Mais de temps en temps, un neutrino – peut-être tous les 100 000 – va frapper un atome dans la glace de l’observatoire et briser l’atome.

Alors, quelque chose de spectaculaire se produit : La collision produit d’autres particules subatomiques, qui sont alors propulsées à une vitesse supérieure à celle de la lumière lorsqu’elles traversent la glace.

Vous avez peut-être entendu dire que rien ne peut voyager plus vite que la lumière. C’est vrai, mais seulement dans le vide. Les photons qui composent la lumière (une particule subatomique à part entière) ralentissent effectivement un peu lorsqu’ils pénètrent dans une substance dense comme la glace. Mais d’autres particules subatomiques, comme les muons et les électrons, ne ralentissent pas.

Lorsque les particules se déplacent plus vite que la lumière dans un milieu comme la glace, elles brillent. C’est ce qu’on appelle le rayonnement Cherenkov. Et le phénomène est similaire à celui d’un bang sonique. (Quand vous allez plus vite que la vitesse du son, vous produisez une explosion de bruit.) Quand les particules se déplacent plus vite que la lumière, elles laissent des sillages d’une étrange lumière bleue comme un bateau à moteur laisse des sillages dans l’eau. Voici une représentation artistique de ce à quoi tout cela ressemble. Le neutrino est la forme de larme en gris.

Les autres observatoires à la recherche de rayons cosmiques sont tout aussi énormes

L’Observatoire Pierre Auger, où travaille Castellina, utilise un réseau de 1 600 réservoirs, chacun rempli de 3 000 gallons d’eau. Les réservoirs sont répartis sur plus de 1 000 miles carrés à Mendoza, en Argentine.

Les réservoirs fonctionnent comme le bloc de glace du pôle Sud. Mais au lieu d’utiliser de la glace pour enregistrer les rayons cosmiques, ils utilisent de l’eau. Les réservoirs sont complètement noirs à l’intérieur. Mais lorsque les rayons cosmiques – plus que de simples neutrinos – entrent dans les cuves, ils provoquent de petits éclats de lumière, via le rayonnement Cherenkov, car ils dépassent la vitesse de la lumière dans l’eau.

Si plusieurs des cuves enregistrent une salve de rayons cosmiques au même moment, les scientifiques peuvent alors travailler à rebours et déterminer l’énergie de la particule qui a frappé au sommet de l’atmosphère. Ils peuvent également deviner grossièrement d’où dans le ciel la particule a été tirée.

Dans l’hémisphère nord, il existe une expérience similaire dans l’Utah appelée le réseau de télescopes. Comme les réservoirs d’Amérique du Sud, le réseau de l’Utah comporte une série de détecteurs répartis sur une énorme surface. Actuellement, il occupe environ 300 miles carrés, mais une mise à niveau est en cours pour l’étendre à 1 200 miles carrés. (Plus la zone est grande, plus les chances de repérer les rayons cosmiques les plus insaisissables et les plus puissants sont grandes.)

Les détecteurs de l’Utah sont constitués de plastique acrylique super transparent, et sont logés dans des unités qui ressemblent un peu à des lits d’hôpital.

Si plusieurs des détecteurs enregistrent un impact en séquence (pensez aux particules qui frappent toutes le sol à peu près en même temps comme des plombs de chasse sur une cible), « vous pouvez reconstruire la direction » d’où elles sont venues, dit Jui, le physicien de l’Université de l’Utah qui travaille sur le réseau.

L’observatoire peut également faire quelque chose de cool. Lors de nuits très claires et sombres dans le désert de l’Utah, il peut en fait voir les faibles traînées de rayons cosmiques qui s’allument dans notre atmosphère.

« L’idée est que vous pouvez voir la douche d’air se développer dans l’atmosphère en utilisant des caméras ultraviolettes », explique Jui. « Ce sont des caméras qui prennent des vidéos, sur quelques microsecondes, dix images par microseconde , et ensuite vous pouvez réellement voir la ligne étendue dans le ciel, et mesurer l’énergie qui en découle. »

Vous pouvez aider la recherche des rayons cosmiques

Avec suffisamment de données sur ces rayons cosmiques de haute énergie, les scientifiques espèrent un jour mieux déterminer d’où ils viennent dans le ciel.

Le problème est qu’à l’heure actuelle, ils n’ont tout simplement pas assez d’observations des rayons cosmiques les plus puissants.

Cela va prendre un certain temps car les rayons cosmiques les plus puissants ne passent pas trop fréquemment dans les détecteurs : Chaque kilomètre carré de la Terre ne voit qu’environ une de ces particules par siècle. Et pour tenir compte du fait que ces rayons ne se déplacent pas souvent en ligne droite, il faudra une montagne de données.

Mais déjà, nous avons quelques indices. L’observatoire Pierre Auger dispose de données (pas encore concluantes) selon lesquelles certaines de ces particules à haute énergie proviennent de galaxies à flambée, c’est-à-dire de galaxies qui forment des étoiles à un rythme très rapide. Le groupe de Jui a conclu qu’environ un quart des rayons cosmiques les plus puissants observés proviennent d’un cercle dont la taille correspond à environ 6 % de celle du ciel nocturne, près de la constellation de la Grande Ourse. Mais c’est une énorme zone de l’espace, et il n’y a pas de pistolet fumant évident dans la région.

De nouveaux indices continuent d’affluer. L’été dernier, les scientifiques de l’observatoire IceCube ont publié des preuves passionnantes que les galaxies appelées blazars génèrent certaines de ces particules à haute énergie. Les blazars ont en leur centre des trous noirs supermassifs qui déchirent la matière en ses éléments constitutifs, puis font exploser les particules subatomiques comme un canon laser dans l’espace.

Voici une représentation d’artiste très, très peu à l’échelle, montrant un blazar tirant un faisceau de rayons cosmiques sur la Terre.

Les résultats actuels ne peuvent pas encore expliquer les rayons cosmiques les plus puissants détectés dans les annales. Ils doivent également être répétés.

Il est également possible que certains de ces rayons soient produits par des forces et des objets que nous ignorons actuellement – ou interagissent avec des choses mystérieuses comme la matière noire, d’une manière que nous ne comprenons pas encore. Il pourrait s’agir d’extraterrestres, mais j’en doute.

Ce dont les scientifiques ont besoin, c’est de plus de données, de plus d’observations pour pouvoir localiser précisément les sources dans le ciel d’où proviennent ces particules.

Et bientôt, vous pourrez participer à la recherche. Votre téléphone pourra être transformé en détecteur de rayons cosmiques. Daniel Whiteson est un physicien de l’Université de Californie Irvine qui a travaillé sur un projet de rayons cosmiques financé par la foule. Il s’appelle Crayfis (Cosmic RAYs Found In Smartphones).

« Le nombre de particules qui frappent l’atmosphère avec des énergies folles, est vraiment important. Il se compte en millions », déclare Whiteson. Mais les observatoires comme le Pierre Auger – bien qu’énormes – ne sont pas assez grands pour en repérer la plupart. « Si nous pouvions construire un télescope assez grand couvrant d’immenses étendues de terre, nous pourrions recueillir beaucoup de données très rapidement. »

C’est là que les smartphones entrent en jeu. L’appareil photo de votre téléphone fonctionne parce que les photons – la particule subatomique qui constitue la lumière – activent un capteur à l’arrière de l’objectif. Les rayons cosmiques peuvent également activer le capteur. (De temps en temps, aussi, un rayon cosmique peut interférer avec un microprocesseur et faire planter un ordinateur.)

« Si vous mettez l’appareil photo de votre téléphone face vers le bas, la plupart des est bloqué, et vous auriez une image noire », explique-t-il. « Mais les particules de l’espace, passeront directement à travers votre téléphone, le plafond ou le mur, et frapperont le , et laisseront une trace. »

L’espoir est que des millions d’utilisateurs puissent allumer l’application la nuit pendant qu’ils dorment, et qu’elle recherche ces rayons cosmiques. Avec suffisamment de téléphones, Whiteson espère que lui et ses collègues pourront avoir une meilleure idée de la provenance des rayons cosmiques. Le projet n’est pas encore tout à fait lancé. Mais vous pouvez vous inscrire dès maintenant pour devenir un bêta-testeur lorsque l’application sera prête.

Les physiciens ne vont pas abandonner de sitôt. L’existence des rayons cosmiques de haute énergie nous indique que notre compréhension de l’univers est terriblement incomplète.

« Il s’agit de l’un des phénomènes les plus violents » de l’univers, dit Jui. Ne voulez-vous pas découvrir ce qui le provoque ?

Voir tous les articles dans Le point fort .