L'illusion du paradoxe du rayon cosmique

par Jean Marie Champeau 16 Avril 2025, 02:00 curiosité expérimentale

 

Le paradoxe du rayon cosmique

Le rayonnement cosmique peut être galactique ou solaire. La magnétosphère de la Terre détourne les rayons cosmiques et nous protège des éruptions solaires.
rayonnement cosmique galactique ou solaire

 

 

Le rayonnement cosmique porte bien son nom, c’est un rayonnement provenant de l’espace. 

 

La découverte du rayonnement cosmique eu lieu au début du 20e siècle avec les observations du physicien autrichien Victor Franz Hess effectuées en 1912 depuis un ballon.

 

L'observation directe depuis le sol des composants les plus énergétiques du rayonnement cosmique n'était pas possible car celui-ci interagit avec l'atmosphère lorsqu'il la pénètre et produit des particules secondaires.

 

Il fallut attendre la fin des années 1950 pour pouvoir effectuer les premières observations directes grâce à des instruments embarqués à bord de satellites artificiels ou de ballons stratosphériques. 

 

Le rayonnement cosmique est principalement constitué de particules chargées : protons (88 %), noyaux d'hélium (9 %), antiprotons, électrons, positrons et particules neutres tels que des rayons gamma, neutrinos et neutrons. Ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, qui est d’environ 300.000 kilomètres par seconde. Donc une bonne soupe d’énergie nous tombe sur la tête.

 

Les particules issues des rayons cosmiques et du vent solaire qui entrent dans l’atmosphère aux pôles magnétiques de la Terre peuvent créer d’étonnantes aurores boréales colorées d’un vert-jaunâtre pâle caractéristique de la plupart des aurores résultant des molécules d’oxygène, tandis que l’azote donne lieu à des aurores bleues ou rouges violacées.

 

Calcul de la limite
Aurores boréales en Norvège.
aurores boréales en Norvège

 

 

En 1966 le physicien américain Kenneth Greisen, les physiciens russes Vadim Kouzmine et Guéorgui Zatsépine, s’étaient mis d’accord pour calculer un indicateur d'après les interactions prévues entre un rayon cosmique et les photons issus du fond diffus cosmologique sous la forme d’une limite d’énergie au-delà de laquelle on de devrait pas faire d’observations.

 

D'après ces calculs, les rayons cosmiques d'une énergie supérieure à 50 × 1018eV(Exa-eV)(*1) ne devraient jamais atteindre la Terre.

 

En réalité, des dépassements de cette limite théorique ont bien été observés. Cette anomalie encore inexpliquée, se nomme le "paradoxe du rayon cosmique".

- - -

 

(*1) Là, on va retrouver nos histoires de Joules et de Volts.

L'électron-volt (eV) est l'unité d'énergie utilisée en physique des particules : c'est l'énergie acquise par un électron soumis à un potentiel électrique de 1V.

Un électronvolt est égal à :

1 eV = 1,602.176.634 × 10−19 J.

c'est donc une unité très faible, :

1 GeV = 109eV= 1,602.177 × 10−10J

1 TeV =1012eV = 1,602.177 × 10−7J

1 Exa-eV = 1018eV = 1,602.177 × 10−2J

 

La physique des hautes énergies, incluant l'étude des accélérateurs de particules, utilise des GeV ou des TeV pour décrire les énergies des particules subatomiques après collision.

 

On se rappelle, puisqu'on ne l'avait pas oublié, qu’un Joule(J) est l’énergie nécessaire pour déplacer un Kg sur un mètre pendant 1 seconde.

- - -

 

Détection
Les différents types de détecteurs permettant d'étudier les rayons cosmiques. 
les différents types de détecteurs

L’atmosphère qui entoure la Terre forme une pelure épaisse de quelques dizaines de kilomètres. Au total, nous avons au-dessus de notre tête l’équivalent de 10 mètres d’eau. 

 

Cela fait beaucoup de matière et un proton arrivant sur les hautes couches va nécessairement interagir pendant la traversée. 

 

En moyenne, l’interaction avec les molécules de l’atmosphère a lieu à une altitude d’environ 20 kilomètres.

 

On sait qu’un proton traversant la matière produira une première interaction avec création d’une palette d’autant plus large d’objets secondaires que son énergie est élevée. Mais ces particules auront l’occasion d’interagir à leur tour, et les particules ainsi produites interagiront. . . Au final, on obtient ce qu’on appelle une "gerbe" de particules.

 

La gerbe peut s’allonger sur des kilomètres avec un cœur situé à environ 10 kilomètres d’altitude. Plus l’énergie du rayon cosmique est élevée, plus le nombre de particules secondaires est grand et, aux énergies dont on va parler, la gerbe peut être riche de milliards de particules secondaires qui arroseront plusieurs kilomètres carrés de surface terrestre. Détecter de telles gerbes permet de remonter à la particule qui leur a donné naissance.

 

Certaines des astroparticules qui composent le rayonnement cosmique ont une énergie qui dépasse 1020 eV et qui n'est expliquée par aucun processus physique identifié. 

 

 

L’événement ultra-énergétique du 27 mai 2021
Vue d'artiste d'une gerbe atmosphérique au-dessus d'un détecteur de particules de l'Observatoire Pierre Auger, sur fond de ciel étoilé.
vue d'artiste d'une gerbe atmosphérique


Les événements de très haute énergie sont rarissimes.

 

Celui dont on parle possède une énergie reconstruite de 244 Exa-eV (244 x 1018eV), et le flux correspondant est attendu au niveau d’un exemplaire par siècle et par kilomètre carré !

 

L’événement publié déclencha un total de 23 détecteurs voisins couplés au télescope, arrosant une surface d’environ 30 kilomètres carrés.


L’énergie reconstruite de 244 Exa-eV est une énergie colossale, 30 millions de fois plus élevée que l’énergie des protons atteinte dans les plus gros accélérateurs. C’est une énergie époustouflante d’échelle macroscopique concentrée dans une particule.

 

Cela correspond à environ 40 joules en unité courante, c’est l’énergie d'une balle de tennis envoyée par le smash d’un champion.

 

D’où vient ce rayon cosmique ? Un mystère encore à éclaircir

 

Les rayons cosmiques prouvent de manière très directe que l’Univers est en perpétuel chambardement. 

 

On sait aujourd’hui que le ciel cache des drames titanesques, des étoiles binaires s’effondrent mutuellement sur elles mêmes, des trous noirs phagocytent leurs étoiles voisines, des galaxies se télescopent. . . Toutes ces joyeuses rencontres crachent des tombereaux de particules qui partent dans toutes les directions. On est loin de l’harmonie qu’on admire en tournant les yeux vers le ciel pendant une belle nuit d’été parsemée d’étoiles.

 

Au total, depuis 2008, l’expérience a mesuré 28 gerbes de plus de 100 Exa-eV qui viennent de toutes les directions.

 

Un tel rayon violant la limite supposée inatteignable, témoigne à l’évidence, d’un défaut de nos connaissances actuelles en physique des particules. 

 

Ben mon vieux, on n’est pas au bout !

 

 

paradoxerayoncosmique

paradoxegzk

 

Sources

https://fr.wikipedia.org/wiki/Limite_de_Greisen-Zats%C3%A9pine-Kouzmine#Paradoxe

https://fr.wikipedia.org/wiki/Limite_de_Greisen-Zats%C3%A9pine-Kouzmine

https://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_cosmique

https://www.iaea.org/fr/newscenter/news/rayonnement-cosmique-pourquoi-nous-ne-devrions-pas-nous-inquieter

https://theconversation.com/une-nouvelle-etude-devoile-un-rayon-cosmique-dultra-haute-energie-echappe-de-lunivers-extreme-219041

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectronvolt

https://fr.wikipedia.org/wiki/Coalescence_(physique)

https://fr.wikipedia.org/wiki/Joule

 

Photos

Le rayonnement cosmique peut être galactique ou solaire. La magnétosphère de la Terre détourne les rayons cosmiques et nous protège des éruptions solaires. (Image : L. Han/AIEA)

https://www.iaea.org/sites/default/files/styles/width_555px_6_units_16_9/public/solar-radiation-1140x640.png?itok=i0wuX4Zw

 

Aurores boréales en Norvège

Image par <a href="https://pixabay.com/fr/users/ddstudio-5594168/?utm_source=link-attribution&utm_medium=referral&utm_campaign=image&utm_content=2387782">John Huang</a> de <a href="https://pixabay.com/fr//?utm_source=link-attribution&utm_medium=referral&utm_campaign=image&utm_content=2387782">Pixabay</a>

https://cdn.pixabay.com/photo/2017/06/09/17/47/northern-light-2387782_1280.jpg

 

Les différents types de détecteurs permettant d'étudier les rayons cosmiques.

Par Kubu — Travail personnel, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41117117

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1b/Cosmic-radiation-Shower_detection--fr.png

 

Vue d'artiste d'une gerbe atmosphérique au-dessus d'un détecteur de particules de l'Observatoire Pierre Auger, sur fond de ciel étoilé.

© A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret

https://www.cnrs.fr/sites/default/files/inline-images/carte_ciel_web_0.jpg

 


 

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    Ancien informaticien, j’ai toujours été fasciné par les illusions d’optique, mais aussi les illusions sous d'autres formes.

    Ces phénomènes nous en disent plus sur nous que nous le supposons.

    Pour moi ce sont des Illusions Visuelles de Nature Optique, IVNO, pour faire un clin d’oeil (façon de parler), au sigle OVNI où l’on évoque souvent les illusions d'optique dont les observateurs de bonne foi seraient les victimes.

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