Contacter l'auteur / Contact the author

Recherche dans ce site / Search in this site

 

Les effets des rayons cosmiques sur la biosphère

A la recherche des rayons cosmiques

Introduction

Il existe dans l'univers tout un éventail de rayonnements et de particules nucléaires qui traversent l'espace à des vitesses dites relativistes (> 40000 km/s). Certaines de ces particules transportent une énergie pouvant atteindre 100 millions de fois celle produite dans les accélérateurs de particules comme celui du CERN ou du Fermilab. Lorsqu'elles arrivent sur Terre, elles percutent les molécules présentes dans l'atmosphère et se décomposent en gerbes de particules moins massives et de moindre énergie. On y reviendra.

Ces particules d'intense énergie sont les fameux rayons cosmiques. Il s'agit de particules souvent chargées électriquement composées à 88% de protons et 9% d'hélions, le reste se partageant entre les électrons, les muons, les neutrinos et leurs antiparticules. Leur énergie de repos varie entre 0.511 MeV pour les électrons, ~3 GeV pour les particules alpha (hélions), ~15 GeV pour les électrons très énergétiques (particules bêta) pour atteindre en théorie plus de 107 TeV pour des noyaux de fer.

En 2019, M.Amenomori et ses collègues annoncèrent dans les "Physical Review Letters" (en PDF sur arXiv) avoir détecté grâce à l'observatoire ASgamma installé au Tibet 24 rayons cosmiques de plus de 100 TeV dont un rayon cosmique de 450 TeV (4.5x1012 eV), un record. Ces particules provenaient de la nébuleuse du Crabe alias Taurus A ou Taurus X-1 située à 6500 années-lumière. Le précédent record était de 75 TeV (expérience HEGRA en 2004).

Notons que les rayons cosmiques d'une énergie ultra élevée et extrême sont respectivement appelés UHECR (Ultra-High-Energy Cosmic Ray, E > 106 TeV) et EECR (Extreme-Energy Cosmic Ray, E > 5x107 TeV).

Les rayons cosmiques furent découverts en 1963 mais les astronomes et les physiciens ignoraient d'où ils provenaient et quel processus gargantuesque pouvait produire de telles énergies. Car si le Soleil émet également des rayons cosmiques (protons), leur énergie dépasse rarement 100 MeV/nucléon (cf. les classes d'éruptions solaires et les défaillances des satellites), à peine ce que développe l'impact d'un petit caillou tombé d'une table. De toute évidence ce n'était pas un processus astrophysique comme la nucléosynthèse qui pouvait générer des énergies de l'ordre du TeV.

A voir : The Mystery of High-Energy Cosmic Ray, NASA

Highest energy gamma rays discovered by Tibet ASgamma Experiment, New China TV, 2019

A gauche, illustration d'un flot de rayons cosmiques pénétrant en gerbes dans l'atmosphère terrestre. A droite, décomposition (partielle) de la cascade de particules secondaires produites par les rayons cosmiques pénétrant dans l'atmosphère. Il y a des pions, des muons, des électrons, des neutrinos et leur antiparticule ainsi que des cascades d'hadrons (protons et neutrons). Seuls les neutrinos et les muons atteignent le sol, ces derniers pouvant altérer l'ADN de tout ce qui vit sur Terre jusqu'à ~10 m sous les eaux. Voici une version simplifiée de ce schéma. Documents Observatoire Pierre Auger et CERN adapté par l'auteur.

En fonction de leur masse de repos et compte tenu de l'existence du rayonnement cosmologique à 2.7 K qui baigne tout l'univers, on savait déjà estimer à quelle distance maximale se situait la source d'émission, c'est la limite GZK (GZK cutoff) qui est d'environ 50 Mpc soit 163 millions d'années-lumière pour une particule de ~1020 eV. Cela signifie que des particules ionisantes plus légères peuvent donc pratiquement provenir des confins de l'univers. Cela laisse un vaste choix de candidats mais seuls ceux manifestant une activité explosive ou des jets de plasma nous intéressent.

Identification des sources

Parmi les candidats retenus, à part le Soleil il y a les supernovae, les quasars, les GRB (Gamma-Ray Bursts) et les trous noirs. Nous savons que les supernovae libèrent des rayons cosmiques d'une énergie 10 millions de fois plus intense que ceux du Soleil (1000 TeV) et un milliard de fois plus intense dans le cas des pulsars (105 TeV). Or les physiciens ont détecté des rayons cosmiques d'une énergie 10 à 1000 milliards de fois plus intense (106 à 108 TeV) que ceux émis par le Soleil ! Seules des galaxies à noyau actif (des AGN comme les quasars dont le noyau présente une activité élecromagnétique particulièrement intense), les sources GRB ou des astres très compacts comme les trous noirs actifs peuvent générer de telles énergies parfois focalisées dans un faisceau étroit mais il fallait le prouver en découvrant l'astre à l'origine de cette intense émission.

Dans une étude publiée dans la revue "Science" en 2007, une équipe constituée de 370 chercheurs et ingénieurs de 17 pays rassemblés dans la "Collaboration Pierre Auger" déclara qu'elle avait trouvé la réponse à cette énigme : il s'agit des trous noirs supermassifs qui se développent dans le coeur des galaxies actives, disloquant et avalant des étoiles entières et rejettant des jets de rayonnements (UV, X, gamma, etc.) et des particules nucléaires (protons, nucléi, etc.) dans l'espace intergalactique (cf. ce schéma).

Grâce au détecteur de rayons cosmiques de l'Observatoire Pierre Auger situé près de Malargüe, dans la Pampa Argentine, les chercheurs ont tracé quelques rayons cosmiques jusqu'au voisinage de leur source d'émission et ont découvert... des AGN ! Chacun des rayons cosmiques étudié présentait une énergie dépassant 5.7 x 106 TeV, l'équivalent de l'énergie libérée par l'impact d'une balle de tennis bien frappée. Par comparaison, le collisionneur LHC du CERN atteint à peine 14 TeV dans le centre de masse (1150 TeV par collision).

De telles énergies sont si extrêmes qu'elles peuvent seulement se manifester dans les endroits les plus violents de l'univers. Du fait que ces AGN tracent la distribution générale de la matière dans l'univers local (moins de 10 millions d'années-lumière environ soit 100 fois le diamètre de la Voie Lactée), même si les rayons cosmiques peuvent provenir d'autres objets, les trous noirs sont les premiers suspects en raison de leur propention pour la violence. En effet, ces astres effondrés présentent un comportement chaotique extrême à tout point de vue, tant dans l'intensité et les variations du rayonnement électromagnétique que dans les effets gravitométriques.

C'est la première fois que des chercheurs montrèrent que ce rayonnement de haute énergie ne provenait pas uniformément de toutes les directions du ciel (ce qui avait déjà été noté en 2006). Jusqu'à présent, les rayons cosmiques de faible ou moyenne énergie semblent provenir de toutes les directions. Plusieurs causes sont à l'origine de cette dispersion apparente. Il y a d'une part les champs magnétiques solaire et terrestres qui incurvent les trajectoires des particules chargées émises par le Soleil ou par les supernovae. D'autre part, elles se déplacent également sous l'influence des champs magnétiques galactiques et intergalactiques avant de frapper l'atmosphère terrestre. Ensemble, ces déviations effacent la direction d'origine des rayons cosmiques qui semblent provenir de n'importe où.

Mais les rayons cosmiques les plus intenses portent tellement d'énergie qu'ils sont presque insensibles aux champs magnétiques. La galaxie qui les abrite ne peut pas les retenir ou les dévier. Par conséquent, quand ils frappent la Terre, à quelques degrés près, comme une balle fusil, ils indiquent directement leur point d'origine et donc la source du rayonnement.

Jusqu'à présent, l'étude des rayons cosmiques était gênée par le fait qu'ils sont très rares; on estime qu'à peine une "pluie" par siècle tombe sur chaque km2 de la Terre. L'Observatoire Pierre Augier commença à collecter ses données en 2004 et enregistra un million de rayons cosmiques en 3 ans, y compris 80 UHECR (ultra haute énergie). Depuis, l'étude s'est étendue à l'hémisphère Nord grâce à la construction d'un détecteur similaire dans le Colorado. Aujourd'hui l'Observatoire Pierre Augier dispose de 5 détecteurs de rayons cosmiques.

Décroissance des rayons cosmiques

Comme interagissent les rayons cosmiques arrivant sur Terre ? Les rayons cosmiques étant constitués de particules instables ayant une masse parfois très importante, leur vie est éphémère et se désintègrent en d'autres particules plus stables et plus légères. Cette réaction est facilité par les collisions qu'ils subissent. Lorsque les rayons cosmiques dits primaires entrent dans l'atmosphère terrestre, ils réagissent avec les particules contenues dans l'air (avec les molécules d'azote, d'oxygène, etc.) et se brisent sous le choc dans une cascade de réactions formant ce qu'on appelle les rayons cosmiques secondaires. Ces réactions transforment les pions contenus dans les noyaux (ils assurent la cohésion des nucléons) en muons qui sont similaires aux électrons mais ~200 fois plus énergétiques et plus lourds (105 MeV contre 0.511 MeV), devenant de véritables rayons mortels invisibles. Des neutrinos sont également produits au cours de cette réaction.

Selon les propriétés électriques du milieu et des particules incidentes, certaines réactions sont privilégiées (collision nucléaire ou Bremsstrahlung). Comme on le voit sur le schéma ci-dessus, à partir d'un proton se forment des pions et des muons qui décroissent en différentes particules comprenant des électrons, des neutrinos et leur antiparticules. D'autres muons et pions sont créés s'ils entrent en collisions avec des nucléi. Le Bremsstrahlung (radiation de freinage) produit des rayons gamma doux qui vont créer des paires d'électron-positron dans une réaction appelée l'averse électromagnétique. Les protons produisent également des antiprotons, des antineutrons, des neutrons, des kaons (mésons lourds, K) et des hypérions (Y). La plupart sont absorbés par l'atmosphère ou se désintègrent avant d'arriver sol. Au total, si on prend un cas d'école, on peut dire qu'un seul proton produit 21 réactions en cascade qui produisent finalement 59 particules mais elles peuvent être beaucoup plus nombreuses si l'ion ou le nucléi initial est plus lourd. C'est une véritable gerbe de particules qui est ainsi produite, terme qui fut retenu par les physiciens pour qualifier ce phénomène.

Effets des rayons cosmiques sur la biosphère

Comment les rayons cosmiques peuvent-ils affecter la vie sur Terre ? Au cours de leur brève existence, non seulement les rayons cosmiques peuvent parcourir plusieurs dizaines de kilomètres dans l'atmosphère mais ils peuvent également briser tout ce qu'ils touchent au sens propre.

La plupart des rayons cosmiques sont bloqués par l'atmosphère à l'exception des muons et des neutrinos qui atteignent le sol. Un muon de 1 GeV parcourt 6.9 km dans l'air (en tenant compte de l'effet de la relativité) et cette distance croît proportionnellement à son énergie pour atteindre 63 km pour un muon de 10 GeV. Malgré la densité de l'eau, ces derniers peuvent également pénétrer jusqu'à une dizaine de mètres sous la mer (la colonne d'air correspondant à ~10 m d'eau) où ils conservent tout leur pouvoir destructeur.

On estime que les rayons cosmiques représentent en moyenne 15% de la radioactivité naturelle soit une dose de ~0.38 mSv en Europe (contre ~0.25 mSv/an pour la radioactivité naturelle du corps humain). C'est donc très inférieur aux doses reçues lors d'un examen médical (dose efficace de 0.10 à 6 mSv et même 8.8 mSv pour une tomographie par scanner).

Les rayons cosmiques sont moins "durs" et pénétrants que les rayons gamma mais tout aussi destructeurs. Parfois lourds, souvent rapides et transportant beaucoup d'énergie, à forte dose ou exposition, en raison des réactions chimiques qu'ils provoquent dans l'atmosphère et des dommages qu'ils occasionnent dans la structure du génome, les rayons cosmiques sont capables de modifier durablement la chimie de l'atmosphère avec des impacts directs sur le climat, de provoquer des mutations génétiques et de rendre stérile. Si la dose absorbée par l'organisme est importante et continue pendant plusieurs années, ils sont donc capables de détruire toute vie sur leur passage en quelques générations.

Décrivons à présent la principale source de rayons cosmiques que nous pourrions redouter, l'explosion d'une supernova à proximité du Soleil.

Les effets d'une supernova

Illustration de l'explosion d'une supernova à l'instant où elle implose et souffle son atmosphère dans l'espace. On estime qu'en dessous de 100 à 200 années-lumière de distance, cela pourrait avoir des effets délétères sur Terre. Document T.Lombry.

Une supernova est une étoile massive parvenue au stade ultime de son évolution et qui explose en libérant toute sa matière dans l'espace. Son coeur mis à nu peut soit se transformer en étoile compacte (étoile naine, étoile à neutrons ou pulsar) soit en trou noir. Parfois l'explosion est tellement violente que le coeur métallique est totalement pulvérisé et toute la région sur quelques années-lumière est vidée de toute matière, les rares planètes ou le compagnon stellaire proche étant éjecté de son orbite et devient un astre errant. Si l'explosion est moins violente, tous les corps existant à proximité sont irradiés et brûlés jusqu'à la cendre, leur éventuelle atmosphère est arrachée par le souffle de l'explosion ou le vent stellaire (supervent) et ils se transforment en astres rocheux désertiques et stériles. Si le coeur stellaire existe encore, ces astres continueront inlassablement leur révolution autour d'une étoile morte d'un point de vue astrophysique. Si la vie s'était développée sur l'un de ces astres, elle fut irradiée et n'existe plus.

Il va de soi qu'une hypernova, une kilonova ou la fusion de deux étoiles à neutrons produiraient le même effet.

En explosant une supernova émet un intense flot de particules dont des rayons cosmiques. Si par malheur le système solaire croise ce faisceau de particules à courte distance, la Terre et tout ce qui y vit seront irradiés pendant des mois voire des années avec des conséquences fatales. C'est pour cette raison qu'il faut prendre très au sérieux et redouter l'explosion d'une supernova à proximité du Soleil car il s'agirait d'une véritable catastrophe pour l'humanité et toutes les espèces vivantes, y compris les micro-organismes supportant certaines doses de rayonnements ionisants. Mais à l'impossible nul n'est tenu.

Une possible extinction de masse

Dans un article publié fin 2017 dans la revue "Astrobiology" (en PDF sur arXiv), le physicien Adrian L. Melott de l'Université du Kansas et ses collègues ont voulu comprendre quelle était l'origine et les conséquences de la présence de fer-60 découvert un peu partout sur la Terre remontant entre 2.5 et 10 millions d'années avec un pic marqué il y a ~2.6 millions d'années. On sait que cet isotope fut créé lors de l'explosion d'une supernova. Par conséquent, les auteurs suggèrent qu'une supernova explosa à ~150 années-lumière et changea le cours de l'histoire.

Selon Melott et ses collègues, le flot de rayonnements émit par cette supernova en direction du système solaire est probablement à l'origine de l'extinction de masse du début du Pléistocène qui vit la disparition de 36% des espèces de la mégafaune marine dont celle du Mégalodon (un requin géant). On y reviendra.

Mais quelques mois après cette publication, et pour ainsi dire en guise de réponse, en 2018 Brian C. Thomas précité publia un article plus nuancé dans la même revue "Astrobiology" qui fut repris sur le site de la NASA qui finança l'étude. Thomas suggère que deux supernovae situées entre 163 et 326 années-lumière de la Terre auraient explosé entre 2.5 et 8 millions d'années.

Illustration de l'explosion d'une supernova. Il faut imaginer que tout cela est dynamique et que les éjecta sont projetés jusqu'à 30000 km/s précédés par des ondes de chocs portées à plus de 10000 K détruisant tout sur leur passage, que ce soit une étoile proche ou une planète. Document T.Lombry.

L'auteur a constaté qu'en Afrique, à la limite du Pliocène-Pléistocène (2.5 millions d'années) les enregistrements fossiles montrent que le continent originellement forestier est devenu plus herbeux. Durant la même période géologique, la concentration globale de fer-60 augmenta. Il observa également un changement dans la diversité des espèces et leur population durant cette même période. Précisons pour être complet que c'est aussi l'époque des Australopithèques africanus tardifs et des Homo habilis. Elle fut également marquée par le début d'un nouvel Âge glaciaire (qui se poursuit toujours mais en s'atténuant) et une inversion du champ magnétique terrestre. Faut-il y voir des liens de cause à effet ? Rien ne le prouve.

Thomas souligne que l'explosion d'une supernova ne réduit pas tout en cendre sur son passage comme on l'imagine souvent. Si c'est valable à proximité immédiat de l'explosion où le souffle de l'onde de choc et le nuage de plasma incandescent peuvent déjà tout pulvériser sur leur passage dans un rayon de plusieurs millions de kilomètres et stériliser une planète à la distance de la Terre (~150 millions de km ou 1 UA), l'effet est beaucoup moins sensible à grandes distances, ce qui ne veut pas dire qu'il ne soit pas durable et très dangereux. Selon Thomas, "la pluie de fer-60 radioactif s'étendit sur des centaines de milliers d'années", confirmant l'estimation de Melott.

L'arrivée d'un intense flux de rayons cosmiques de haute énergie au cours du siècle qui suivit l'explosion de la supernova aurait traversé la stratosphère et déposé son énergie sous la couche d'ozone, l'amincissant significativement, tandis que les particules moins énergétiques arrivèrent sur Terre sur une période de 300 ans, déversant plus d'énergie dans la stratosphère, contribuant à réduire davantage la densité de la couche d'ozone. L'effet de ce rayonnement aurait provoqué une réduction d'environ 22% de la densité de la couche d'ozone en 100 ans, de 26% en 300 ans et de 17% en 1000 ans.

Après avoir étudié les résultats d'une augmentation du rayonnement UV et notamment les UVB sur les organismes, Thomas conclut que la pénétration de rayonnements UV nocifs jusqu'au sol aurait provoqué des dommages biologiques (cancers, cataractes, mutations génétiques) sur les animaux terrestres et aériens et compromit la photosynthèse du phytoplancton. Cette action délétère aurait aussi contribué à la disparition de nombreuses espèces de plantes, le phénomène s'accentuant aux latitudes élevées comme le montrent les enregistrements fossiles. Mais l'effet n'aurait pas été également réparti parmi les espèces. Le plancton qui produit 50% des émissions d'oxygène aurait proportionnellement été peu affecté. Les résultats d'une irradiation aux UV suggèrent également que l'explosion n'aurait augmenté que faiblement le risque de cancer parmi les populations humaines.

En résumé, selon Thomas il est difficile d'affirmer que l'explosion d'une supernova à plus de 100 années-lumière impacte lourdement ou non une région ou une espèce ou quels organismes s'en tireront mieux que d'autres. Certaines plantes ont augmenté leur rendement, comme le soja et le blé, tandis que d'autres ont montré une productivité réduite, se référant aux changements observés dans les enregistrements fossiles.

Dans le flot de rayonnements émis par une supernova, un GRB ou le jet d'un trou noir, il y a également des rayons gamma. S'ils sont relativement rares, en raison de leurs très hautes énergies et leur beam très focalisé, leur effet sur la biosphère serait aussi délétère que celui des muons.

A voir : Explosion d'une kilonova, HubbleCast

Effets des rayons gamma

Certains sursauts gamma des GRB présentent une énergie supérieure à 1 TeV et proviennent d'astres situés à plus de 10 milliards d'années-lumière. Lors d'un sursaut gamma, certains GRB (probablement une étoile massive se transformant en trou noir) libèrent en quelques secondes autant d'énergie que le Soleil en produit durant toute sa vie soit ~10 milliards d'années ! Heureusement, l'atmosphère terrestre absorbe l'essentiel de cette énergie et leur rayonnement n'a aucun effet sur la chaîne du vivant.

Mais quelle serait les conséquences d'une exposition de la Terre à un flot intense de rayons gamma ? Non pas ceux émis par une éruption solaire qui restent relativement modestes et sans impacts importants mais ceux provenant des supernovae et autres GRB ? C'est à cette question qu'ont répondu plusieurs équipes de chercheurs.

Illustration du flux de rayonnements corpusculaires dont X et gamma émis par une source GRB située à plusieurs milliards d'années-lumière. Etant donnée la distance et bien qu'ils soient très puissants, ces rayonnements sont sans conséquence sur la vie sur Terre car l'atmosphère absorbe et nous protège efficacement contre ces rayonnements. Documen NASA/Swift. Voir aussi cette vidéo.

Dans un article publié en 2009 (en PDF sur arXiv) par l'astrophysicien Brian C. Thomas de l'Université Washburn et celui publié en 2010 par l'équipe de l'écologiste marin Rolando Cardenas du CRCE de Cuba dans "Astrophysics and Space Science", les chercheurs ont montré grâce à des simulations qu'une source gamma située entre 5000 et 8000 années-lumière pourrait avoir un effet délétère sur la Terre.

Selon les chercheurs, on observerait d'abord une réduction de la couche d'ozone, une augmentation des UVB et une perte de clarté en raison des oxydes d'azote en suspension dans la stratosphère créant un smog photochimique. Les conséquences seraient des changements climatiques, des mutations génétiques (16 fois plus d'ADN endommagé que la normale) et des stérilités plus fréquentes dans la population. En dire plus est spéculatif et personne n'a envie de servir de cobaye pour le savoir.

Les astronomes estiment que les sursauts gamma se produisent environ tous les quelques centaines de milliers d'années dans une galaxie comme la Voie Lactée. Et bien qu'ils puissent être dévastateurs, il y a peu de risques que nous soyons un jour touché par ce genre de rayonnement.

On a calculé que tous les 5 millions d'années environ, un sursaut gamma se produit suffisamment près du système solaire pour affecter la vie sur Terre. En d'autres termes, depuis 500 millions d'années le monde vivant fut exposé à ~100 sursauts gamma délétères. Mais si les probabilités d'un sursaut gamma à proximité du Soleil ne sont pas nulles, elles sont suffisamment faibles pour que ne pas nous inquiéter, à moins de vous faire cryogéniser et de vous réveiller dans 5 millions d'années à vos risques et périls.

Il existe peut être des preuves d'un récent sursaut gamma qui aurait frappé la Terre au début du Moyen-Âge. En effet, en 2012 dans la revue "Nature", Fusa Miyake de l'Université de Nagoya et ses collègues ont annoncé avoir découvert dans les cernes d'un cèdre du Japon datant de l'an 774-775 environ 20 fois plus de carbone-14 soit une augmentation de 1.2% supérieure à la concentration normale. Une autre étude publiée en 2013 par l'équipe de I.G.Usoskin de l'Université de Oulu en Finlande dans la revue "Astronomy & Astrophysics" révéla également une augmentation de la concentration de béryllium-10 dans de la glace extraite d'Antarctique et du carbone-14 dans du charbon prélevé en Allemagne.

Pour expliquer ces concentrations d'éléments radioactifs, un flot de rayons gamma aurait été émis par une étoile située à moins de 13000 années-lumière du Soleil et aurait frappé la Terre il y a 1200 ans, générant ce carbone-14. Mais selon l'équipe de Usoskin, une éruption solaire majeure (une succession d'éruptions) d'une énergie > 30 MeV (classe M) suffirait à expliquer ces taux. De plus, selon les auteurs cette hypothèse est soutenue par une augmentation de l'activité des aurores consignée dans les chroniques.

Voilà en résumé à quoi ressemble l'univers des hautes énergies au sens propre et les risques potentiels que nous encourrons sans même en avoir conscience. Espérons que cet insoucience nous porte chance.

Pour plus d'informations

Les extinctions de masse (sur ce site)

L'univers des particules élémentaires (sur ce site)

L'environnement terrestre, les rayonnements cosmiques et leurs interactions, Vincent Lafon

29. Cosmic Rays, Particle Data Group (PDF), 2018.

Retour à la Bioastronomie


Back to:

HOME

Copyright & FAQ