Rai cosmic

Lo rai cosmic es lo flus de nuclèus en atomics e de las particulas de nauta energia (es a dire relativistas) que circulisson dins lo mitan interstellar. La font d’aquete rai se situa segon las escasenças dins lo Solelh, a l’interior o a l'exterior de nòstra galaxiea. D’astroparticulas que compausan lo rai cosmic an una energia que passa 10²⁰ eV}} e qu’es explicada per pas cas de procediment fisic identificat. Lo rai cosmic es subretot constituit de particulas cargada: protons (88 %), nuclèu d'èli (9 %), antiprotons, electrons, positrons e particulas neutras (rais gamma, neutrinos e neutrons).

La descobèrta del rai cosmic se debanèt al començament del sègle XX amb las observacions de Victor Franz Hess realizadas en 1912 depuèi un ballon. Es identificat d’en primièr mejans son ròtle dins l'ionizacion de l'atmosfèra terrèstra. L'observacion dirècta dempuèi lo sol dels compausants mai energetics del rai cosmic es pas possible qu’aqueste interagís amb l'atmosfèra a la penetrar e produch de particulas secondàrias. Cal esperar la fin de las annadas 1950 per poder realizar las primièras observacions dirèctas mercé a d’instruments embarcats a bòrd de satellits artificials o de ballons estratosferics. Lo rai cosmic de fòrta energia constituís tot coma lo rai electromagnetic una font unica d'informacions sus de fenomèns d'origina galactica e extragalactica. Mas sas caracteristicas (energia, raretat) fan malaisidas las observacions precisas. Mai las interacccions importantas amb lo mitan galactic e extragalactic venin complicar l'interpretacion de las donadas recampadas en vista de determinar sa font e e sa natura.

Una partida dels rais cosmics de bassa energia (relativament al rèste dels rais cosmics: de l'òrdre del MeV), preses pel camp magnetic terrèstre, participa a la formacion de las cenchas de Van Allen. Los rais galactics o extragalactics pòdon nos traversar, interferir amb l'ADN, passar la ròca e los bastits e pregondament penetrar los sols e sotasol planetaris. Participa fins a nosautres a 14 % de la radioactivitat naturala totala la superfícia de la Tèrra.

Istoric

La primièra observacion menant a la descobèrta dels rais cosmics se debanèt en 1900, quand lo fisician Charles Thomson Rees Wilson decobriguèt que l’atmosfèra es ionizada de contunh. supausa alara qu’aqueste fenomèn es degut al rai natural de la Tèrra. Sas recercas sus l'electricitat atmosferica, l'ionizacion e la condensacion lo menan a concebre la primièra cambra de tuba.

Mas lèu, los scientifics de l’epòca son tafurats per l’excès d'ions al respècte de la quantitat normalament deguda al rai natural del sol. En 1912, lo fisician austriac Victor Franz Hess mesura lo taus d’ionizacion segon l’altitud amb un electromètre amb fuèlhas d’aur embarcat dins un ballon. L’ionizacion decreis fins a 700 m, puèi creis al delà. I a pauc de diferéncias entre lo jorn e la nuèch. Hess ne conclutz que lo rai es d'origina cosmica es a dire venent de l'exterior del sistèma solar. aqueste resultats son confirmats per Robert Andrews Millikan que trablha amb de ballons-sondas.

Hess estima tanben qu’aqueste rai es electricament neutre. aqueste ipotèsi es represa en 1928 a la descobèrta que l'essencial del rai atenh la superfícia de la Tèrra es constituit de particulas cargadas. Millikan supausa alara qu’aquestas darrièras resultan de l'interaccion entre los rais neutres de l'espaci (rai gamma) e las moleculas de l'atmosfèras. Arthur Compton mòstra que lo rai es de fach variable seguent la latitud ont es mesurat (mai feble a l'equator qu'als pòbles) a causa de l'influéncia del camp magnetic terrèstre, provant atal que s'agís de particulas cargadas.

En 1938, l'astronòma francés Pierre Auger descobrís que la penetracion de las particulas desencadena de garbas atmosfericas constituidas de particulas dichas « secondàrias » — Al contrari de las particulas « primàrias » constituissent lo flus abans son interaccion amb l'atmosfèra.

Composicion del rai cosmic

s’agís per sa partida cargada subretot de protons (88%), nuclèu d'èli (9%), lo rèste essent constituit d'electrons, de diferents nucleons (nuclèus d'atòms) E tanbe de quantitats infimas d'antimatèria leugièra (antiprotons e positrons). La partida neutra es ela costituida de rais gamma e de neutrinos. Aquesta darrièra es pas sempre dins un rai cosmic.

Las particulas primàrias (arribant sus l'atmosfèra) An una energia que pòt aténher 10²⁰ eV. Fòra dels neutrinos, las particulas detectadas al sol son subretot de particulas secondàrias eissidas de gerbas atmosfericas, d'energia plan inferiora.

La particula mai abondanta al nivèl de la mar es lo muon, Qu’aqueste interagís pauc amb la matèria: ne comptam en mejana un par centimètre carrat per minuta. Malgrat sa durada de vida de 2,2 µs, que correspond a une distància maximala de 660 m a la velocitat de la lutz, lo muon parcorrís de distàncias fòrça mai grandas mercé a l’efièch de dilatacion del temps predich per la relativitat restrencha.

Espèctre

L’espectre del rai es la foncion ligant lo flus incident de particulas a lor energia. Las figuras çai costat an una escala logaritmica per integrar la fòrça granda escala de las valors d’enrgias e de fluses. L’espectre donat aquí es aqueste del rai primari, es a dire abans l'interaccion d’aqueste rai amb l'atmosfèra.

Aqueste espectre es manifèstament « nontermic », es a dire que resulta pas de l'emission d'un còrs a una temperatura donada (espectre de còrs negre). Lo penjal de la drecha mòstra que lo flus decréis aviadament segon una lei de poténcia. L'exposant de la lei de poténcia se nomena l'« indici espectral ». Sa valor globala es de 2,8.

Tanben existís doas trencaduras de penjals remarcablas, quitament pro discrètas a l'uèlh nus:

• la primièra, chafrada lo « genoulh », se situís a 5× 10¹⁵ eV (flus: 1 particula/m2/an). L'indici espectral passa d'unes 2,7 a 3,3;
• la segonda, chafrada la « cavilha », se situís a 4× 10¹⁸ eV (flus: 1 particula/km2/an). L'indici espectral passa a 3,0.

Origina

Las particulas mai energeticas venon de l'espaci interstellar e intergalactic. Una partida d’aquestas particulas es desviada pel vent solar — a l'origina d’auròras polaras — que pòrta, el, subretot d’ions e d’electrons.

Las coneissença actualas permetrián d'explicar l'acceleracion de las particulas fin al nivèl del « genolh » (cf. definicion mai naut) per de procediments astrofisics violents coma de tusts. Aurián per origina l'explosion de supernòvas, segon l'itotèsi facha en 1949 pel fisician italian Enrico Fermi, mas es pas pus confirmat ara. D'autras fonts son envisatjablas, que prenon en compre los fenomèns astronomics mai energetics conegudas dins la natura: nuclèu actiu de galaxia, tresaut gamma, trauc negre, ipernòvas, etc. Aprigondiddent aquetes modèls, es possible de trobar una explicacion a l'acceleracion de particulas fins a eV. Pasmens, la manca d'informacion suls rais cosmics de tan nautas energias permet pas de contrénher aquestes modèls.Per las particulas mai energeticas, las zetta-particula, al delà de la cavilha (4 eV) las observacions demoran encora plan mens nombrosas (mens d'una gèrba per an dins d’observatòris plan especializats coma lo Fly's Eye de l'Universitat d'Utah o l'Akeno Giant Air Shower Array (Ret d'Akeno per las Cascadas Gigantas Atmosfericas).

En 2017 las primièras confirmacions de l'origina geografica del rai de nauta energiadu son donada per la publicacion del resultat de 12 ans de mesuras fachas dempuèi 2004 a l'Observatòri Pierre-Auger a Malargüe en Argentina: aqueste rai es clarament extragalactic, venent de galaxias situadas dins una partida de l'espaci situat al delà dels confinhs de la Via Lactèa. L'observatòri captèt e estudièt unes 3000 rais presetant d’energias passant 8 electrons-volts. L'estudi de la distribucion angulara de lors dintradas dins l'atmosfèra acabèt per mostrar un motiu (leugièrament dipolar) sus la esfèra celèsta. Aqueste motiu èra situat a l’opausat del cap de la Via lactèa. Aqueste flus emanariá donc d'un demai de galaxias situat a un centenat de millions d'annada lutz. Cal encara comprene lo mecanisme de sa produccion; los especialistas penson a de fenomèns nascut del mitan d'enòrmes traucs negres e/o de l'aclapament d'estelas supermassissas.

Cosmologia e astroparticulas

Lo Big Bang, la baryogenèsi, la matèria negra son los encastres de recerca qu’utilizan las tecnicas experimentalas desvolopadas en fisica de las particulas per far d'astronomia a naute e fòrça nauta energia. Las tematicas màger de recerca son:

• La recerca de la matèria negra
• Los neutrinos (solars, cosmics, supernòvas).
• La desintegracion del proton.
• Las ondas gravitacionalas.

Metòdes de deteccion

Le réseau VERITAS de télescopes Tcherenkov.

Diferents metòdes de deteccion dels rais cosmics a partir del sol son ara utilizadas. Los telescòpis Tcherenkov detectan de rais cosmics de bassa energia (<200 GeV) analisant lor rai Tcherenkov, dels rais gamma largats quand passant l’atmosfèra a de velocitats superioras a la velocitat de la lutz dins l'aire. Aquestes telescòpis destrian de biais plan eficaç los rais del fons de cèl e aquestes d’origina atmosferica, mas pòdon foncionar pas que per nuèchs clara e sens luna, e an un camp visual fòrça estrech. Un autre tipe de telescòpi Tcherenkov utiliza lo mèsme efièch dins l'aiga; aquestes dos tipres son parelhats (de biais unic al mond) a l'observatòri Pierre-Auger.

La deteccion de las de las garbas (EAS, per Extensive Air Shower) es un autre metòde, consistissent a mesurar las particula cargadas venent de l'interaccion d'un rai cosmic amb l'atmosfèra, mejans de panèls de scintilladors organics (de plastic). Aqueste metòde permet d'observar de rai cosmics fòrça mai energetics, e unes 90 % del temps; mas es mens eficaça per destriat los rais cosmics dels autres tipes de rais qu’o fan los telescòpis Tcherenkov.

Detector de rais cosmics de l'observatòri Pierre-Auger.

Un tresen metòde foguèt desvolopat per Robert Fleischer, P. Buford Price (en), e Robert Walker (en) utilizat dins de ballons-sondas en nauta altitud. De fuèlhas de plastics transparent (per exemple en policarbonat, de 0,25 mm d'espessor), son superpausadas e expausadas en dirècte als rais cosmics, que provòcan de trencadisses de ligam quimics o d’ionizacions del plastic. Al suc de la pila, l'efièch es mendre, a causa de la granda velocitat de las particulas, mas, la velocitat mermant, l'ionizacion aumenta passant las diferentas fuèlhas; en dissolvent lo plastic, se cava alara de clòts conics, que son mesurats (amb un microscòpi de fòrta poténcia). Aquestes clòts son diferents per cada trajectòria, çò que permet de mesurar la carga e l'energia del rai cosmic avent passat lo dispositiu: aqueste metòde es tanben utilizat per detectar los nuclèus produch dins una fission nucleara.

Per mesurar lo rai cosmic de bassa energia (450 MeV - 15 GeV), John A. Simpson realizèt lo monitor de neutrons a partir de 1948. Aquestes monitors, utilisant un principi similar als comptador geiger, se desvolopèron a l’escasença de l’annada geofisica internacionala de 1957 (comptador de tipe IGY). Lors successors, los supermonitors NM64, son ara mai utilizats. Le ret mondial de monitors servís entre autre a l’estudi de las erupcions solaras de protons (GLE per Ground Level Enhancement), d’ejeccion de massa coronala (CME) menant a un efièch Forbush o encora a l'estimacion de las dòsi de radiacions recebudas pel personal navigant. Depuis 2007, la majoritat dels monitors de neutrons distribuiguèron los donadas en temps real mercé a un ret mondial de monitors de neutrons (NMDB) que fedèra, en 2017, un quarentenat d’estacions.

Un darrièr metòde utiliza de cambras de tuba o de cambras de botiòlas per detectar los muons secondaris creats pendnet la desintegracion d'un pion. Las cambras de tuba subretot son aisidas de realizar.

Aplicacions

La capacitat dels muons cosmics de passar per la matèria pòt aver d’aplicacions en tomografia. En efièch, l'atenuacion del flus de particulas es foncion de la densitat del mitan passat. Aquesta tecnica foguèt utilizada pel prèmi Nobel de fisica Luis Walter Alvarez per cercar de cambras amagadas dins la piramida de Khephren, en Egipte, mas faguèt pas de resultats en l’escasença. D’òbras recentas memada al volcan de la Sofrièra, en Guadelooa, fa envisatjar una aplicacion en geofisica . Los rais cosmics servisson tanben a mesurar l’espessor de la nèu: le NRC (nivomètre de rai cosmic) es utilizar per EDF.

Efièchs sus la santat

Aqueste rai que representa 15 % de la radioactivitat naturala (Sophie PUJAS – La chasse aux rayons cosmiques - Journal Le POINT, p. 97, N° 21197- 23 octobre 2014) pòt èsser ionizant e capable de trencar l'ADN, de causar de càncer e malformacions geneticas. Al nivèl dels sol es plan escampilhat per la magnetosfèra o retengut per l'atmosfèra e sas particulas en suspension. Pasmens lo personal navigant dels avions e a fortiori los astronautas pòdon i èsser expausats de biais mai significatiu (ex : Dòsi eficaça annala de 2 a 5 mSv sus de longs corrièrs), mai que l'avion vola a nauta altitud.

Efièch sus l’electronica

Los rais cosmics son pro energetics per damatjar l’estat d’un compausant electronic d’un circuit integrat, podent provocar des erròrs transitòrias, coma de decas de donadas dins la memòria viva e una mala execucion del processor, sovent nomenats « soft error (en) » (de confondre pas amb d’errors logicialas provocada per de decas de programacion). Foguèt un problèma per l’electronica en fòrça granda altitud, Coma los satellits, mas amb de transistors venent sempre mai pichons, es una encara mai granda preocupacion. D’estudis menadas per International Business Machines (IBM) dins las annadas 1990, suggerisson que los ordinators subisson mai sovent una error per rai cosmic induch de 256 megaoctets de memòria viva cada mes. Per reduire aqueste problèma, Intel a prepausèt un detector de rai cosmic que poiriá èsser integrats als futurs microprocessors avent un a feblas finesa de gravadura, permetent al processor de tornar executar la darrièra commanda seguent le rai cosmic. Los rais cosmics son suspectats d’èsser la causa d’un incident de vol en 2008 ont un avion de linha Airbus A330 de la companhia Qantas, que caiguèt per dos còps d’un centenat de mètres après un marrit foncionament inexplicat dins lo pilotatge automatic e que faguèt de nafrats. Après aqueste incident, los enquestaires de l’accident determinèron que lo sistèma de contraròtle de vol recebèt un pic de donadas inexplicat, e que tot lo sistèma foncionava de bon biais. Una mesa a jorn foguèt realizada dins totes los avions de linha A330 e A340 del mond, permetent de filtrar electronicament aquestes pics de donadas.

Bibliografia

• L. I. Dorman, Cosmic Ray Interactions, Propagation, and Acceleration in Space Plasmas, Springer, Dordrecht, 2006
• L. I. Dorman, Cosmic Rays in the Earth's Atmosphere and Underground, Kluwer, Dordrecht, 2004
• M. W. Friedlander, Cosmic Rays, Harvard Univ. Press, Cambridge (Mass.), 1989
• M. W. Friedlander, A Thin Cosmic Rain : Particles From Outer Space, ibid., 2000 (Voir avec Google)
• {{{2}}}, * V. L. Ginzburg dir., Astrophysics of Cosmic Rays, North-Holland, Amsterdam, New York, 1990
• L. Koch-Miramond & M. A. Lee dir., Particle Acceleration Processes, Shock Waves, Nucleosynthesis and Cosmic Rays, Advances in Space Research, vol. IV, no 2-3, Pergamon Press, Oxford, 1984
• M. S. Longair, High Energy Astrophysics, Cambridge Univ. Press, Cambridge (G.-B.), 1981, 2e éd. 1994
• J. Mayerhöfer, « Victor Franz (Francis) Hess », in C. C. Gillispie dir., Dictionary of Scientific Biography, vol. VI, p. 354-356, C. Scribner's Sons, New York, 1991
• R. Schlickeiser, Cosmic Ray Astrophysics, Springer, Berlin, Londres, 2002
• Y. Sekido & H. Elliot dir., Early History of Cosmic Ray Studies, Reidel, Dordrecht, 1985
• Veniamin Sergeevich Berezinskiĭ, Vitaliĭ Lazarevich Ginzburg ; Astrophysics of cosmic rays ; 1990 (Voir avec Google)
• P. V. Sokolsky, Introduction to Ultrahigh Energy Cosmic Ray Physics, Addison-Wesley, Redding (Mass.), 1989.
• Michel Crozon, « La querelle des rayons cosmiques », Les génies de la science, no 31,‎ 2007, p. 24-27 (lire en ligne)

Nòtas e referéncias

Vejatz tanben

Articles connèxes

• Zetta-particula
• Atmosfèra
• fisica dei particulas
• Univèrs
• Galaxias
• Solelh
• Cambra bòtigas
• Cambra de tuba