Les rayons cosmiques sont une émission de particules provenant d’objets célestes (pulsars, noyaux de galaxies actives, résidus de supernovas). Ceux-ci sont souvent violents et parviennent à notre Terre de manière constante. Récemment, une équipe de chercheurs américains propose à tout possesseur de Smartphone une participation scientifique d’un nouveau genre : elle vous implique directement.

En effet, ils vous proposent de leur venir en aide grâce au capteur de l’appareil photo de votre portable, suffisamment sensible pour détecter les rayonnements cosmiques secondaires.

Les rayons cosmiques, ou plutôt l’énergie émise, est composée de photons énergétiques ainsi que d’électrons, de protons, de positrons et de petits noyaux d’atomes (en allant jusqu’au fer). Cette énergie se répand sur une très grande plage, allant de quelques MeV jusqu’à 3.1020 eV (électronvolts), soit jusqu’à 300 milliards de GeV (Giga-électronvolts). Les pics sont de l’ordre de quelques GeV. Les rayons cosmiques les plus énergétiques sont sensés provenir de galaxies très lointaines tandis que les rayons de plus faible énergie devraient venir de notre propre galaxie.

Ces rayons cosmiques permettent aux astrophysiciens d’étudier différemment l’Univers en utilisant une autre source porteuse d’informations, une autre source que la lumière. Les processus intéressant ici sont « non-thermiques », comme c’est le cas pour les phénomènes d’accélération de particules par le biais de champs magnétiques ou électriques.

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Modélisation 3D de rayons cosmiques se transformant en gerbes de particules secondaires après impact sur notre atmosphère.

 

Quelques explications sur les phénomènes étudiés

C’est lorsque les rayons cosmiques finissent par atteindre la haute atmosphère terrestre qu’ils produisent des réactions avec les atomes la composant. Ces réactions concernent donc les atomes d’azote et d’oxygène présents dans l’air. Elles produisent alors un très grand nombre de particules dites secondaires qui donnent à leur tour naissance à de vastes gerbes de particules secondaires chargées, dont des muons, particules à charge négative. Ces dernières ont des propriétés physiques identiques à l’électron, mais avec une masse 207 fois plus importante (d’ailleurs, c’est pourquoi on les appelle aussi « électrons lourds »). Il faut savoir que ces gerbes peuvent parvenir à s’étendre sur des dizaines de kilomètres carrés et ce, à partir d’une seule particule incidente au sommet de l’atmosphère ! Ensuite, comme la majeure partie des particules secondaires chargées possèdent une vitesse plus grande que la vitesse de la lumière dans notre air, celles-ci rayonnement une lumière spécifiquement appelée « lumière Tcherenkov » durant leur traversée de l’atmosphère (voir : effet Vavilov-Tcherenkov). Ce phénomène peut d’ailleurs être observé par des télescopes spécialement conçus pour de telles observations. Cela est par exemple le cas des observatoires HESS ou Magic.

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Représentation simplifiée des gerbes de particules issues de rayonnements cosmiques. Crédit : ilephysique.net

Certains autres observatoires utilisent, comme milieu de détection de la lumière Tcherenkov, de l’eau. Ils y parviennent en disposant des centaines de cuves garnies d’instruments de détection sur une large surface au sol. Pour citer encore quelques exemples concrets, les observatoires suivants utilisent cette méthode : l’observatoire HAWC au Mexique ainsi que l’observatoire Pierre Auger, situé en Argentine.

Mais il y a encore d’autres possibilités d’étudier ce processus, comme par exemple d’aller directement détecter les particules primaires, dans l’espace, avant qu’elles ne rejoignent notre atmosphère. La station spatiale internationale (ISS) dispose d’ailleurs de détecteurs prévus à cet effet, les instruments AMS-02. Il est capable de détecter les électrons, les positrons, ainsi que les particules chargées. Le satellite Fermi quant à lui, est capable de détecter et mesurer les rayons gamma hautement énergétiques. Les rayons cosmiques les plus intéressants sont sans doute ceux qui possèdent les énergies les plus grandes, au dessus de 100 TeV (100 000 GeV). Mais malheureusement, qui dit qualité dit rareté. En effet, de tels rayons cosmiques sont également plus rares. Cela est notamment dû au fait que leur flux est proportionnel à leur énergie, avec une fonction de puissance qui décroit très vite. Il en va de soit que pour étudier convenablement ces phénomènes et progresser, il faudra trouver des solutions plus efficaces que celles utilisées de nos jours.



Un problème qui persiste = une solution innovante

A partir du moment ou une solution efficace est recherchée, les astrophysiciens ont deux choix envisageables : continuer les études avec les détecteurs actuels, relativement limités en surface, ou alors, augmenter de manière significative la surface de détection totale. Cependant, la construction d’un observatoire de grande envergure, comme celui de Pierre Auger en Argentine par exemple, représente des coûts extrêmement élevés, sans compter que de tels observatoires atteignent relativement rapidement leur limite au niveau de la surface occupée et des coûts liés.

Alors, comment augmenter différemment la quantité de surface de détection ? Comment le faire à moindres coûts ? C’est à partir de cette question qu’est née l’innovation dont on vous parle dans la suite de cet article !

 

La solution

C’est une équipe de physiciens de l’Université de Californie, à Irvine, qui détient peut-être la bonne solution innovante. Dirigée par Daniel Whiteson, l’équipe a publié une étude dans la revue Astroparticle Physics démontrant que des Smartphones standard, de type iPhone 6, Galaxy SIII et plus ainsi que d’autres modèles similaires, sont capables de détecter des rayons cosmiques secondaires. Grâce à leur capteur CMOS faisant partie intégrante de leur appareil photo, ils seraient en effet à même de mesurer, dans une certaine mesure (pardonnez le jeu de mots) les rayons gamma ainsi que les muons.

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Voici ce à quoi ressemble le capteur CMOS d’un iPhone 6 lorsqu’il est dépourvu de sa coque. Crédit : iFixit.com

La partie astucieuse réside ensuite dans le fait de combiner la surface de détection des différents appareils en les mettant en réseau, tout en les géo-localisant. De cette manière, grâce au nombre impressionnant d’appareils répartis partout sur le globe, il serait facile de former une très grande surface de détection, ceci afin d’atteindre un potentiel supérieur aux meilleurs observatoires mis en service à ce jour. Les physiciens ont d’ailleurs calculé qu’il leur faudrait que uniquement 1% des utilisateurs de Smartphones prennent part à la collecte de données durant quelques heures par jour afin d’obtenir de telles performances ! Cela vous fait d’ailleurs sûrement penser aux technologies mises en place permettant d’obtenir des télescopes fonctionnant sur une base similaire, par mise en réseau, tel que le télescope Gravity ou l’EHT, dont on vous parlait dans cet article.



L’habit ne fait pas le moine

Ne sous-estimons donc pas la capacité de nos petits appareils photos inclus dans nos téléphones, ceux-ci ont apparemment plus d’un tour dans leur sac. Ainsi, les chercheurs ont procédé à plusieurs tests afin de déterminer leur efficacité de détection. En mettant en place plusieurs configurations et plusieurs modèles en les irradiant de manière directe avec un faisceau de muons et des rayons gamma, les chercheurs démontrent que des pixels sont activés de manière suffisamment précise et efficace pour permettre d’identifier le passage d’un muon ou d’un photon gamma.

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Ceci est une image composite résultant de la collection de pixels actifs. Elle est issue de téléphones exposés à un faisceau de muons. Les muons traversant plusieurs pixels sont représentés par les traces rectilignes. Crédit : D. Whiteson et al.

L’équipe de Daniel Whiteson à donc mis au point une application Smartphone qui sera disponible sur Android ainsi que sur iOS et qui permettra, à toutes les personnes intéressées, de participer à la collecte de données (et donc de contribuer à la science au sens large !) en transformant leur mobile en une petite pièce du puzzle. Un puzzle qui, complété, ne sera autre que le télescope à détection de rayons cosmiques le plus gigantesque jamais mis en service. Ce futur monstre virtuel a déjà été baptisé et porte le nom de CRAYFIS (Cosmic Ray Found in Smartphones).

 

Le fonctionnement

C’est lorsque le téléphone sera inactif qu’il commencera à interroger l’appareil photo, le but étant de rechercher les pixels ayant passé un certain seuil d’activité, provoqué par le passage d’un muon énergétique. L’application enregistrera alors toutes les données de ces quelques pixels (et aucune autre). Avec chaque cycle de capture de données, la position du téléphone, son altitude ainsi que l’heure de l’évènement seront elles aussi enregistrées notamment grâce au dispositif de positionnement GPS présent dans chaque Smartphone. Le bon déroulement de chacune de ces étapes est donc crucial au bon fonctionnement du mega capteur de rayons cosmiques mais il en serait rien sans celle qui s’en suit, soit le partage des données par transmission vers un serveur centralisé. La transmission a lieu dès que le Smartphone se connecte à un réseau Wi-Fi.

Etant donné que la taille de chaque capteur CMOS des Smartphones ainsi mis en réseau soit très réduite, l’efficacité du dispositif s’appuie sur le grand nombre d’appareils potentiellement interconnectés. En effet, une telle mise en commun permettrait d’obtenir l’équivalent d’un télescope géant, plus performant que les meilleurs des observatoires Tcherenkov. Permettant d’étudier des énergies de source cosmique bien plus importantes, un tel dispositif, pour autant que son fonctionnement reste fiable, se placerait donc sans doute en tête de course.




Le projet CRAYFIS est innovant et intéressant non seulement dans sa solution technique de capture de données qu’il propose mais également dans sa démarche. Chaque personne sur le globe ayant un intérêt pour le domaine ou pour la science en général pourra s’il le souhaite contribuer de manière directe à l’avancée des recherches astrophysiques sur de tels phénomènes. De plus, les données transmises restent pûrement scientifiques, et n’incluront donc aucuns détails personnels tel que votre film préféré ou la couleur du chat de votre voisin. La seule donnée à laquelle certaines personnes resteront sûrement sensibles est la géolocalisation. Mais bon, franchement, il faut savoir cesser d’être paranos. En tout cas, la rédaction de Trust My Science dit oui et encourage pleinement ce projet fascinant. Pour le moment, l’application est en beta-test, mais sachez que vous pouvez déjà prendre part à cette beta en vous inscrivant via le site web principal du projet (voir fin d’article pour le lien).

Et vous, êtes-vous prêts à aider concrètement les chercheurs en participant ? Peut-être vous faut-il une vidéo demonstrative directement réalisée par l’équipe d’astrophysiciens à la tête du projet ? Et bien la voici :

Dans tous les cas, pour en savoir plus sur CRAYFIS, c’est par ici : http://crayfis.io/about

 

Sources :
« Searching for ultra-high energy cosmic rays with smartphones », Daniel Whiteson, Astroparticle Physics Volume 79, June 2016

 

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