Le rayonnement cosmique désigne de manière générale le flux de particules de haute énergie (c'est-à-dire relativistes) présent dans tout l'Univers. Il s'agit pour sa partie chargée principalement de protons (entre 85 et 90 %) et de noyaux d'hélium (de 9 à 14 %), le reste étant constitué d'électrons, de différents nucléons (noyaux d'atomes) ainsi que de quantités infimes d'antimatière légère (antiprotons et positrons. La partie neutre est quant à elle constituée de rayons gammas ainsi que de neutrino. L'étude de ce rayonnement au début du 20ème siècle a donné naissance à la physique des particules expérimentale et aujourd'hui grâce à une nouvelle génération d'instruments ouvre une nouvelle fenêtre d'étude de l'Univers.
Les rayons cosmiques participent en particulier à la formation des ceintures de Van Allen.
En 1912, le physicien autrichien Victor Franz Hess découvre l'existence de radiations dont l'intensité augmente avec l'altitude. Il en conclut à l'origine cosmique de ce rayonnement. Ces résultats sont confirmés par Robert Millikan qui travaille à l'aide de ballons sondes. Il croit que ces rayons sont électriquement neutres. Cette affirmation est démentie dès 1928 où l'on montre que l'essentiel des rayonnements atteignant la surface de la terre consiste en des particules chargées. Millikan pense alors que ces dernières résultent de l'interaction entre les rayons neutres de l'espace (rayonnement gamma) et les atomes atmosphériques qui permettent l'éjection d'électrons secondairement détectés. Arthur Compton démontre que le rayonnement est en fait variable suivant la latitude où il est mesuré (plus faible à l'équateur qu'aux pôles) du fait de l'influence du champ magnétique terrestre, prouvant par cela même qu'il s'agit de particules chargées.
Les gerbes atmosphériques, découvertes en 1938 par l'astronome français Pierre Auger sont des faisceaux de particules secondaires provoqués par l'impact de particules primaires provenant de l'espace avec les atomes de la haute atmosphère. Ces particules ont une énergie qui peut atteindre 1020 eV (électron-volt). Ce sont les particules secondaires qui sont détectées au sol. Le rayonnement cosmique primaire, constitué principalement de protons produit des gerbes de mésons (pi chargés de durée de vie 0.026 microsec) se désintégrant eux mêmes en muons (durée de vie 2.2 microsec) qui se désintègrent en électrons de faible parcours et neutrinos. Sans l'effet relativiste de dilatation du temps la plupart des muons n'atteindraient pas le sol où il subsisterait surtout des neutrinos indétectables. Belle confirmation de la relativité.
Le Soleil est en partie responsable du rayonnement cosmique mais les particules les plus énergétiques proviennent de l'espace interstellaire et intergalactique ; elles auraient pour origine l'explosion de supernovae, selon l'hypothèse émise en 1949 par le physicien italien Enrico Fermi, mais cela n'est pas confirmée actuellement.
Ainsi, leur provenance est encore en partie un mystère, mais qui devrait bientôt s'éclaircir avec la mise en service depuis 2004 de l'Observatoire Pierre Auger à Malargüe en Argentine. Pour les particules les plus puissantes (les zetta-particules, au-delà de 5*1019 eV) les observations restent encore très peu nombreuses (moins d'une gerbe par an dans des observatoires très spécialisés comme le Fly's Eye de l'Université de l'Utah ou l'Akeno Giant Air Shower Array). Les phénomènes physiques à l'origine sont mal connus et font certainement appels aux phénomènes astronomiques les plus énergétiques connus dans la nature : noyau actif de galaxie, sursaut gamma, trou noir, etc.
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