Mise à jour le 12 Novembre 2012
 
 
    
CONFÉRENCE
" RAYONS COSMIQUES : UN SIÈCLE D’UNE ÉNIGME INEXPLIQUÉE"
Par Etienne PARIZOT
Astrophysicien APC
Pour les RCE 2012 Cité des Sciences de Paris
Le 2 Novembre 2012 à 17H00
 
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.
REMARQUE : Les comptes rendus des conférences sont mis en ligne au fur et à mesure.
L’AFA mettra aussi les présentations des conférenciers en ligne sur leur site.
Vous vous en apercevrez en allant voir  la page du compte rendu général de temps en temps à l'index "conférences", je signalerai les mises en ligne dans la fenêtre des mises à jour du site
 
 
 
Etienne Parizot est chercheur astrophysicien au laboratoire APC (Astroparticule et Cosmologie)
 
Ses spécialités : Astrophysique des Hautes Énergies, et Rayons cosmiques
 
Il est aussi professeur à Paris 7.
 
Il a aussi un site dédié à l’astronomie et à l’astronautique : E.T. d’Orion.
 
Les rayons cosmiques ont été découverts il y a exactement 100 ans, d’où l’intérêt de la conférence de ce soir.
 
 
 
 
 
INTRODUCTION.
 
Quel rapport y a t il entre ces divers éléments ??
 
Et bien nous allons voir que ce sont les rayons cosmiques (RC) à divers degrés.
 
Les RC jouent un rôle majeur dans de nombreux processus astrophysiques.
 
Ils sont généralement méconnus du grand public et même après un siècle de leur découverte on ne connaît pas complètement leurs origines.
 
 
 
 
 
 
 
Que sont les rayons cosmiques ?
 
Ce sont des particules de haute énergie qui sillonnent la galaxie et peuvent même provenir d’autres galaxies.
 
Ce sont principalement des ions positifs comme des protons ou des noyaux d’atomes comme He, C , O, Fe etc..
 
En rencontrant la Terre, ils interfèrent avec la haute atmosphère et produisent des particules secondaires qui arrivent au sol : neutrons, gamma, électrons, muons, etc…
 
 
 
 
On ne peut pas voir les rayons cosmiques.
 
 
 
 
 
On peut les détecter indirectement.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Avec notamment un instrument plutôt vieillot, un électroscope.
 
Lorsque l’électrosocpe est chargé, les bras se repoussent. Si des particules chargées traversent l’électroscope, l’air va être ionisé et les bras vont perdre progressivement leurs charges.
 
La décharge est d’autant plus rapide que les particules chargées sont intenses.
 
C’est Coulomb qui remarque en 1785 que la décharge spontanée des électroscopes est due à l’air. Ce sera confirmé plus tard par Faraday.
 
 
 
 
LA DÉCENNIE RÉVOLUTIONNAIRE.
 
C’est celle concernant la fin du XIXème siècle et le début du XXème.
Quelques dates importantes :
 
1895 : découverte des rayons X par Röntgen et confirmée quelques années plus tard par Von Laue
1896 : Becquerel découvre la radioactivité de l’Uranium
1897 : découvertes des électrons
1898-1900 : Pierre et Marie Curie et Rutherford notamment se rendent compte qu’il y a plusieurs types de radioactivité
1901 : Wilson remarque les électroscopes se déchargent de la même façon au centre d’un tunnel profond qu’à la surface
1909 : Théodore Wulf fait les mêmes manips au somment de la Tour Eiffel.
 
 
 
 
Et c’est la grande découverte par Hess lors de son voyage en ballon en 1912.
Il y a augmentation du rayonnement avec l’altitude. C’est un rayonnement qui vient « du haut » !
 
 
 
 
 
C’est Robert Milikan qui baptise ces rayons, rayons « cosmiques ».
 
On ne sait pas encore trop ce que c’est vraiment, on sait qu’ils sont très énergétiques et chargés.
 
Ce sont principalement des protons.
 
Des nouveaux messagers du cosmos après la lumière, de la matière extra terrestre !
 
En 1936 on découvre une nouvelle particule : le muon, similaire à l’électron mais beaucoup plus massive.
 
 
 
 
 
 
Il y a en moyenne 4 rayons cosmiques par seconde et par cm2 !
 
Ils jouent un rôle essentiel dans les processus galactiques.
Ils contrôlent l’ionisation du milieu interstellaire et régulent la formation d’étoiles.
 
Mais impossible de repérer de quelle direction ils viennent, ils sont isotropes.
 
Il faudrait pouvoir les « transformer » en vrais rayons, des rayonnements secondaires que l’on pourrait plus facilement étudier.
 
 
 
C’est ce qu’a entrepris le physicien Pierre Auger.
Il corrèle en temps les particules détectées en altitude et au sol, et découvre ainsi les gerbes atmosphériques produites par les rayons cosmiques de très haute énergie. Ils créent une multitude de sous particules énergétiques qui interagissent avec l’air atmosphérique par un phénomène de cascade. Ces particules ont une vitesse proche de la vitesse de la lumière.
Il en déduit même les énergies mises en jeu :  elles seraient supérieures à 1015 eV !
 
On a même détecté en 1962 un rayon cosmique d’énergie incroyable : 1020 eV (100 milliards de particules dans l’atmosphère !).
 
Ces particules relativistes ne voient pas passer le temps de le même façon que nous, en effet une seconde pour les RC relativistes correspond à 3 semaines de notre temps (1km à 1mm !).
 
 
On a construit récemment un observatoire (nommé Pierre Auger) comprenant une multitude de détecteurs pour ces gerbes atmosphériques.
Il est construit sur deux sites répartis sur les deux hémisphères : l’un en Argentine (1400m d’altitude), l’autre dans l’Utah.
L'Observatoire Pierre Auger détecte les gerbes atmosphériques grâce à un réseau de 1 600 détecteurs de particules, espacés de 1,5 kilomètre, qui s'étendent sur une surface de 3 000 kilomètres carrés.
En plus, 24 télescopes observent la lumière fluorescente produite par la gerbe lors de son passage dans l'atmosphère.
 
Mais les rayons cosmiques ultra énergétiques sont rares :
 
Par exemple pour 1020 eV, on compte une particule par km2 et par siècle !!!!
 
LE SPECTRE D’ÉNERGIE DES RAYONS COSMIQUES.
 
 
 
Donc si on veut détecter ces événements énergétiques et si on ne veut pas attendre des siècles, il faut augmenter la surface de détection, c'est l'objet de l'observatoire Pierre Auger.
 
 
Un spectre d’énergie qui s’étend sur 12 ordres de grandeur !
 
Vers les 1015 eV se produit un léger « genou » (knee en anglais) pas encore bien expliqué.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN :
 
Quand les particules tombent du ciel, les rayons cosmiques par C Roucelle IN2P3 IN2P3
 
Enquête sur l’origine des rayons cosmiques : CR de la conf. de H Reeves aux RCE 2010 le 12 nov 2010
 
L’observatoire Auger à la recherche des rayons cosmiques, CR de la conférence de J Cronin à la BNF.
 
Un site sur les rayons cosmiques.
 
L’Observatoire Pierre Auger à la Cité des Sciences.
 
Les rayons cosmiques par Fabien Casse de l’APC, très bonne présentation pdf, à lire !
 
Conférence NEPAL de l’IN2P3, sur les rayons cosmiques.
 
 
 
 
 
Bon ciel à tous
 
Jean Pierre Martin   commission de cosmologie de la SAF
www.planetastronomy.com
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