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Les rayons cosmiques observés par l'effet Cerenkov

Les lueurs fugitives produites par le rayonnement émis par les particules traversant notre atmosphère plus rapidement que la lumière pourraient fournir la clé de la compréhension d'une des énigmes les plus insaisissables en astrophysique.

Effet Cerenkov autour d'un réacteur atomique plongé dans l'eau d'une piscine. Source : Triga research reactor Effet Cerenkov autour d'un réacteur atomique plongé dans l'eau d'une piscine. Source : Triga research reactor

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Entendons-nous bien : pour des raisons liées à la théorie de la relativité, aujourd'hui largement démontrées sur le plan théorique comme expérimental, rien ne peut se déplacer plus rapidement que la lumière soit 299.792,458 kilomètres par seconde. Mais un artifice doublé de conditions exceptionnelles permet cependant cette prouesse toute… relative.

La lumière ralentie

En effet, cette constante n'est observée que dans le vide et une onde lumineuse ralentit en milieu plus dense, comme un gaz ou un liquide. Dans le benzène par exemple, la vitesse de la lumière n'est plus que de 200.000 km/seconde.

Lorsque ces conditions sont réunies, et sous réserve d'un rayonnement d'énergie suffisante, un effet Cerenkov (ou Tcherenkov) est observé, familier du personnel travaillant dans certaines centrales nucléaires. Le cœur du réacteur se trouve immergé dans une importante masse d'eau destinée à absorber les radiations. Or, la vitesse de la lumière est de 230.600 km/seconde dans ce milieu, tandis que celle des électrons y est de 257.370 km/seconde. Il se produit alors un effet similaire au bang sonore produit par un avion franchissant le mur du son, mais de nature lumineuse. Une onde de choc poursuit les particules chargées et produit une lueur bleutée visible en permanence.

Durant un siècle, les scientifiques se sont interrogés sur la nature et l'origine des particules subatomiques qui proviennent de l'espace extra-atmosphérique, et qui arrivent au sol à raison de plusieurs dizaines de milliers au mètre carré chaque seconde. Des résultats récents obtenus au Pierre Auger Cosmic Ray Observatory (Colorado et Argentine) suggèrent que les rayonnements de haute énergie proviennent dans leur majorité du noyau de certaines galaxies actives. Cependant, ceux observés sur notre planète proviennent de notre propre Voie Lactée, de sources encore inconnues. Identifier celles-ci serait crucial pour enfin expliquer ce phénomène, affirment les scientifiques.

Enrico Fermi, de l'université de Chicago, a émis l'hypothèse que ces particules pourraient naître dans les ondes de choc produites par des étoiles en train d'exploser, telles les supernovae, mais cette théorie n'a pu être vérifiée jusqu'à présent. Le National Science Foundation vient d'accorder un budget de 625.000 dollars à Scott Wakely, un assistant professeur en sciences physiques de l'université de Chicago afin de tenter de mettre en œuvre un moyen d'observation basé sur l'effet Cerenkov des particules à haute énergie traversant l'atmosphère de la Terre, permettant d'en déterminer exactement la trajectoire ainsi que d'autres paramètres.

Détecter ces particules avant leur arrivée au sol revêt en effet une importance capitale. L'impact avec les hautes couches de l'atmosphère équivaut en effet à pénétrer dans un mur d'eau épais d'une dizaine de mètres, et ces particules se brisent, se divisent en éléments de plus en plus petits, ruinant toute tentative d'en retracer la brève existence. Or en 2001, un article publié dans Astroparticle Physics par l'université de l'Utah David Kieda, en collaboration avec Scott Wakely, ainsi que Simon Swordy de l'université de Chicago, suggérait de pister ces particules en détectant et enregistrant les deux flashes produits par l'effet Cerenkov.

Un double bang lumineux

Car il y a bien deux émissions de lumière. La première se produit au moment où la particule heurte la partie supérieure de l'atmosphère, mais un second évènement - le bris de la particule en éléments plus petits - en produit une seconde. L'idée est de détecter ces deux émissions successives, permettant de déterminer la trajectoire du rayon ainsi que d'autres éléments.

Plusieurs expériences ont déjà été réalisées dans le but d'apercevoir cet effet Cerenkov, souvent avec succès. Mais les chercheurs ne s'étaient intéressés qu'au premier flash, jusqu'à ce que David Kieda, de l'université d'Utah, ainsi que Swordy et Wakely, indiquent la probabilité, sinon la certitude, d'un second évènement.

Les tentatives de détection seront conduites au départ d'observations terrestres combinées avec des instruments emmenés aux limites de la stratosphère par des ballons-sondes. Les deux principes offrent des possibilités de détection très différentes. Ainsi, les moyens terrestres fournissent une très grande précision mais observent moins d'impacts, l'atmosphère ayant formé écran. Les expériences aéroportées sont plus limitées en raison des limitations de masse, mais parcourent une région où les particules à haute énergie en provenance de l'espace sont très abondantes.

Si la plupart des rayonnements sont constitués de protons ou d'autres types de particules chargées, on y découvre aussi des noyaux d'atomes de fer et d'autres éléments lourds. Or, un noyau d'atome de fer voyageant à une vitesse proche de la lumière produit un rayonnement Cerenkov 700 fois plus intense que celui d'un proton unique. Selon Swordy, de telles particules ont déjà été détectées au moyen d'instruments embarqués à bord de ballons ou de satellites, et les chercheurs associés au projet estiment que l'effet Cerenkov alors émis serait aisément observable depuis le sol.

D'intéressantes perspectives

Cette expérience promet d'intéressantes découvertes dont la portée nous échappe encore tant leur perspective est énorme. Car non seulement certains processus encore mal expliqués pourraient recevoir un début d'explication, et on pense à certaines réactions subatomiques qui se produisent au sein d'atmosphères d'étoiles se transformant en supernovae, mais une connaissance précise de la trajectoire des rayons cosmiques pourrait conduire vers un nouveau type de cartographie de notre galaxie, et même de l'Univers, et la mise en évidence de phénomènes encore insoupçonnés.


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