Rayons cosmiques
Vers "l’astronomie proton"…


Le principal obstacle à la quête de l’origine des rayons cosmiques a toujours été le fait que ces particules sont électriquement chargées et subissent donc des déflexions multiples dans le champ magnétique chaotique de la galaxie, jusqu’à perdre totalement la "mémoire" de leur direction de propagation initiale. De fait, la distribution angulaire du rayonnement cosmique apparaît totalement isotrope (à la précision des mesures près), c’est-à-dire qu’aucune région du ciel n’est plus "brillante" qu’une autre  : le flux de rayons cosmiques est uniforme à travers le ciel. S’il en était de même pour les photons, on n’observerait pas une étoile ici, une galaxie là, un pulsar un peu plus loin, mais en toutes les directions la même superposition uniforme de tous les photons émis par toutes les sources du ciel ! Impossible de faire de l’astronomie dans ces conditions ! C’est pourtant très précisément la situation rencontrée par les « cosmiciens » qui doivent rechercher la source des rayons cosmiques dans le plus épais des brouillards magnétiques.

Mais des efforts expérimentaux sans précédent sont actuellement consentis par une vaste communauté internationale de physiciens des particules et d’astrophysiciens pour percer le mystère des rayons cosmiques les plus énergétiques, et cela devrait également permettre pour la première fois de percer ce brouillard magnétique. De fait, plus l’énergie des particules chargées est élevée, moins les champs magnétiques parviennent à incurver leur trajectoire. Par ailleurs, un phénomène physique intéressant se manifeste aux énergies extrêmes, lié à la présence, partout dans l’Univers, d’un grand nombre de photons provenant des premiers âges de sa formation : le fameux rayonnement fossile (ou « fonds diffus cosmologique »). Ces photons forment aujourd’hui une sorte de bain thermique extrêmement froid (moins de 3 degrés Kelvin), et possèdent donc une énergie très faible, en principe totalement inoffensive. Mais pour les rayons cosmiques ultra-énergétiques qui se jettent en quelque sorte sur eux à des vitesses phénoménales (ne différant de la vitesse de la lumière que par moins d’un millième de milliardième de milliardième !), le rayonnement fossile paraît composé de photons bien plus énergétiques : des photons gamma capables de briser les noyaux ou de créer des particules tels que des paires électrons-positons ou même des pions. Ces derniers ont une masse correspondant à environ 15 % de celle du proton, de sorte que le mécanisme quantique qui conduit à leur production doit s’accompagner d’une perte d’énergie non négligeable pour les protons du rayonnement cosmique (car il faut bien conserver l’énergie globale !).

Le bilan de ce mécanisme – prédit par l’américain Greisen et indépendamment par les russes Zatsepin et Kuz’min dès 1966, c’est-à-dire immédiatement après la découverte du rayonnement fossile – est que les rayons cosmiques les plus énergétiques ne peuvent pas survivre longtemps dans l’Univers. Après quelques centaines, voire quelques dizaines de millions d’années-lumière seulement (ce qui est très peu à l’échelle de l’Univers), ils voient leur énergie suffisamment dégradée pour que le mécanisme de création de particules ne soit plus possible, et que le processus de pertes d’énergie s’arrête.

Il y a deux conséquences à cela. La première est que si nous voyons des particules à une énergie supérieure à l’énergie donnant lieu au mécanisme évoqué ci-dessus (dit « mécanisme GZK », par référence aux trois physiciens mentionnés), nous pouvons être certains que leur source est relativement proche. Les champs magnétiques intergalactiques ont donc très peu de temps pour agir sur ces particules, et comme par ailleurs leur action sur elles est limitée du fait de leur très grande énergie, on devrait finalement parvenir à des déflexions négligeables. La malédiction du rayonnement cosmique serait alors vaincue : enfin, la direction d’arrivée des particules indiquerait directement la direction de leurs sources, qui deviendraient alors visuellement identifiables ! Cela marquerait l’ouverture d’une astronomie nouvelle, non plus avec les seuls photons (particules de lumières non chargées et donc insensibles aux champs magnétiques), mais avec les protons du rayonnement cosmique eux-mêmes : "l’astronomie proton" !

La seconde conséquence du mécanisme GZK est que dans la mesure où seules les sources les plus proches peuvent contribuer au flux de rayons cosmiques les plus énergétiques, on s’attend à en observer beaucoup moins qu’aux énergies plus basses, pour lesquelles les contributions de pratiquement toutes les sources de l’Univers s’additionnent. La réduction drastique du flux qui en découle est appelée "coupure GZK". Sa détection est un objectif observationnel important, qui devrait être atteint dans les toutes prochaines années. Ensuite, c’est toute l’aventure de l’astronomie proton qui pourra débuter, en liaison avec les autres astronomies (l’astronomie photon, bien sûr, mais aussi l’astronomie neutrino, qui commence à être mise sur pied), pour une étude complète des sources les plus énergétiques, et parfois les plus énigmatiques de l’Univers.