Ces énergies sont en effet énormes. L'atmosphère nous protège des rayons cosmiques à peu prés aussi efficacement qu'une couche de13 pieds de béton, et malgré tout les particules cosmiques parviennent à la traverser dans une grande proportion. Certaines ont beaucoup, beaucoup, plus d'énergies, quoique plus elles en ont, moins elles sont nombreuses. Les ions cosmiques du haut de la gamme énergétique se manifestent en douchant l'atmosphère de plusieurs millions de fragments, sur de grandes superficies, , les plus énergétiques d'entre eux étant enregistrés dans les mines à un mille de profondeur. Il y a relativement peu de particules aussi énergiques - On en enregistre expérimentalement une fois par semaine -- mais leur existence est une véritable énigme. Comment un noyau atomique simple peut-il monter à des énergies aussi extrêmes?

Supernovas

    En l'absence d'évidences, on ne peut que conjecturer, en utilisant la physique et ce qui est connu au sujet de l'univers. de nos jours on s'accorde à penser que les ions cosmiques sont "energisés" (activés) par les ondes de chocs qui viennent des supernovas.

Supernova dans la nébuleuse   de crabe vue aux rayons X   par le vaisseau spatial Chandra

    Une étoile finit toujours par manquer des éléments légers de son "carburant nucléaire", (particulièrement de l'hydrogène). Sa "combustion nucléaire" les transforme progressivement en éléments de plus en plus lourds, et la chaleur produite fait que l'étoile se dilate, contrant ainsi l'attraction de la pesanteur qui la compacte Quand l'étoile ne peut plus ne produire assez de chaleur nucléaire, elle s'effondre; l'énergie de la gravité ne peut la maintenir chaude qu'un moment, mais pas longtemps. Si elle est de la taille de notre soleil, elle terminera vraisemblablement en "naine blanche".

    Cependant, si l'étoile est beaucoup plus grosse que le soleil (disons 10 fois plus massive), l'effondrement peut être rapide et catastrophique. Il libère alors rapidement une énorme quantité d'énergie de la gravité. Les processus nucléaires consomment rapidement une partie de cette énergie, mais une autre partie est alors dépensée dans une grande explosion, soufflant les couches externes de l'étoile dans l'espace et créant un énorme front d'onde de choc.

    Par chance une telle explosion a été observée en 1987 dans une galaxie voisine, et son onde de choc (éclat, image intérieurs ci-dessous) a pu être récemment observée, ainsi que quelques émissions antérieures (grands cercles) que les astronomes essayent toujours d'expliquer:

Reste de  Supernova 1987

Note: Une présentation beaucoup plus détaillée sur ce mode de libération de l'énergie à partir des étoiles et de leur effondrement final peut être trouvée en section (S-7) l'énergie du soleil de "From Stargazers to Starships"; voir http://www-spof.gsfc.nasa.gov/stargaze/Fsun7enrg.htm, également traduit.

Récente mise en évidence des rayons gamma

    Enfin, des rayons gamma d'une énergie de l'ordre de 800 Gev ont été détectés et dépistés. (en comparaison, l'énergie d'un proton au repos E = mc² est en-dessous de 1 GeV). Ces rayons gamma réagissent fortement avec l'atmosphère, pour créer des paires d'électrons et de positrons très rapides (positrons = contreparties positives des électrons), qui produisent rapidement de nouveaux rayons gamma, qui à leur tour produisent encore une paire, d'énergie inférieure, qui à leur tour... et ainsi de suite, finissant par une "douche aérienne" de milliers d'électrons, de positrons et de rayons de gamma, se déplaçant tous toujours près de leur direction d'origine.

    Dans le vide, aucune particule ne peut se déplacer plus vite que la lumière, qui est cependant un peu ralentie par . l'atmosphère (en relation avec la réfraction de la lumière par l'air), et donc dans l'air les électrons les plus rapides vont plus vite que la lumière. Ils émettent une sorte d' "onde de choc" lumineuse, comme le choc sonique devant une aile à vitesse supersonique, qui est dénommée, d'après son découvreur russe, "le rayonnement de Cherenkov ". Une illustration en est la lueur émanant d'un réacteur scientifique nucléaire placé dans bac d'eau, que vous avez peut-être vu. .

    Ces flashes de lumière de Cherenkov provenant des "douches" aériennes ont été étudiés de nombreuses années. Ils indiquent clairement la présence de rayons gamma de grande énergie, mais on a longtemps pas pu dire si ces rayons venaient de l'espace lointain ou (plus probablement) des collisions nucléaires entre ions des rayons cosmiques dans notre propre atmosphère. Cependant comme les récentes études ne pouvaient que détecter ces flashes, on a également utilisé des télescopes géants pour focaliser la lumière et en observer l'image de ses sources. Il s'avère que les rayons gamma de l'espace lointain ont des caractéristiques différentes, et sont aisément différentiés.

    Plusieurs télescopes y ont été consacrés, et d'autres s'y ont ajoutés. Dès 1989, on a observé à l'aide du télescope Whipple à Kitt Peak, Arizona, une douche de rayon gamma provenant de la Nébuleuse du crabe, vestige d'une récente explosion de supernova. Une série de 4 télescopes à miroir géants a maintenant rejoint cette recherche, de chacun 13 mètres de diamètre (pour l'échelle, notez le petit camion devant le télescope le plus proche); la qualité optique n'est quand même pas proche de celle des télescopes astronomiques, le pouvoir de résolution n'est que celui de l'œil humain. Un diamètre gigantesque est malgré tout nécessaire pour capter une intensité suffisante de la faible émission de lumière de Cherenkov ((Science, vol 305, p. 1392-3, 3 September 2004; aussi Physics Today, vol 58, p. 19-21, January 2005)

    C'est la batterie de télescopes HESS, nom abrégé de "High Energy Spectroscopic System", mais aussi en l'honneur de Victor Hess, le découvreur en 1912 des rayons cosmiques. A bord d'un ballon survolant une région autrichienne devenu depuis la République Tchèque, Hess avait mesuré au sol la "quantité de base, " du rayonnement nucléaire, la trouvant nettement plus importante avec l'altitude. Cela lui valut le prix Nobel 1936.

    En Namibie, Afrique australe, HESS a rapidement découvert dans ces cieux méridionaux une source de rayons gamma de très grande énergie, de forme annulaire, d'environ 1 degré de champ, centrée sur le vestige de la supernova RX J1713.7-3946, que l'on pense âgée d'environ 1000 ans ("High-energy particle acceleration in the shell of a supernova remnant," [ une œuvre collective d'environ 100 co-auteurs ], Nature, 432, p. 75-7, 4 Novembre 2004). L'image de droite donne le résultat : les couleurs indiquent l'intensité des rayons gamma, alors que les lignes noires sont des coupes d'émission précédemment observée en rayon X du même reste de supernova. Comme le dit Paula Chadwick de l'université de Durham , "si vous aviez des yeux capables de voir les rayons gamma et étiez dans l'hémisphère sud, vous pourriez voir un grand anneau rouge briller chaque nuit dans le ciel." (ou tout au moins vous le pourriez, si vous pouviez rassembler la totalité de l'émission gamma en 26 heures dans une luminosité unique, HESS a pu le faire.)

    Bien que ces résultats aient été rapportés récemment, les observations datent du milieu de 2003. Un autre rapport (Science, 309, p.746, 7-29-2005) ) évoque une source ponctuelle de rayons gamma à haute énergie élevée depuis une combinaison binaire de rayon X, observée par HESS. Davantage de données devraient déjà être disponibles, et d'ailleurs d'autres télescopes appliqués à la lumière de Cherenkov fonctionnent maintenant. Nous devrions bientôt en savoir beaucoup plus sur les origines du rayonnement cosmique !

Rayons cosmiques et magnétosphère

    Pour tenter de comprendre la physique de ces phénomènes, notre meilleur laboratoire est l'environnement spatial terrestre et les satellites sont les moyens d'exploration qui peuvent nous fournir les bonnes informations. Par exemple, pour la terre, le choc en arc (une onde choc relativement douce) peut être étudié pour diverses vitesses de vent solaire et divers incidences de champ magnétique, et il semble qu'en effet quelques processus d'accélération semblent s'y produire.

    L'accélération du choc peut également se produire à l'intérieur de la magnétosphère (cliquer ici pour la relation de cet événement, en mars 1991; vide "Naissance d'une ceinture de radiation dans la magnétosphere terrestre", D.P. Stern taducir Laurent Desorgher, Ciel et Terre, 111 (4), 107-111, 1995). Mais il y a aussi d'autres modes d'accélération, dans les sous-orages et les faisceaux des aurores. Dans l'univers éloigné et sur le soleil, des processus analogues peuvent également se produire. La magnétosphère pourrait devenir notre "laboratoire cosmique," personnel, réplique des phénomènes de l'univers éloigné. C'est finalement, la raison la plus importante de l'étudier.