La lueur étrange et infernale provenant de la Lune peut sembler irréelle sur cette image, car elle est invisible à nos yeux. Mais les instruments qui détectent les rayons gamma nous disent que c'est réel. Plus qu'une simple image granuleuse et rouge, c'est un rappel vivant qu'il se passe plus de choses que ce que croient les yeux humains.
C'est aussi un rappel que tous les humains qui visitent la Lune doivent être protégés de ce rayonnement de haute énergie.
Des rayons cosmiques aux rayons gamma
Le télescope spatial Fermi à rayons gamma de la NASA a capturé ces images des rayons gamma de la Lune. Dans cette partie du spectre électromagnétique, la Lune est en fait plus lumineuse que le Soleil. C'est parce que le Soleil produit la plupart de son énergie dans d'autres parties du spectre, bien qu'il émette des rayons gamma, en particulier pendant les éruptions solaires.
La plupart des rayons gamma de notre système solaire proviennent de sources éloignées comme les quasars et les noyaux galactiques actifs (AGN). La Lune est une source indirecte de rayonnement gamma et produit des rayons gamma par son interaction avec les rayons cosmiques.
Les rayons cosmiques sont un type de rayonnement à haute énergie qui, pour la plupart, est produit en dehors de notre système solaire. Ils sont produits par des choses comme les supernovae et les noyaux galactiques actifs. Lorsque les rayons cosmiques frappent la matière, comme la surface de la Lune dans ce cas, ils créent des rayons gamma.
Mario Nicola Mazziotta et Francesco Loparco, deux chercheurs de l'Institut national italien de physique nucléaire, ont étudié le rayonnement gamma de la Lune comme moyen de comprendre les rayons cosmiques. Les rayons cosmiques sont des particules se déplaçant rapidement, et ils gagnent leur accélération à partir de leurs sources, comme les supernovae et AGN susmentionnés.
«Les rayons cosmiques sont principalement des protons accélérés par certains des phénomènes les plus énergétiques de l'univers, comme les ondes de souffle d'étoiles et de jets explosifs produits lorsque la matière tombe dans des trous noirs», a expliqué Mazziotta dans un communiqué de presse de la NASA.
Les particules qui composent les rayons cosmiques sont chargées électriquement. Quand ils heurtent un champ magnétique, comme la magnétosphère terrestre, ils sont principalement déviés. Mais la Lune manque de champ magnétique. En conséquence, même les rayons cosmiques les plus faibles frappent directement la surface de la Lune, ce qui produit des rayons gamma. La Lune absorbe en fait la plupart des rayons gamma qu'elle crée, mais certains s'échappent dans l'espace.
Et le télescope de Fermi peut les voir, transformant la Lune en une sorte de détecteur de particules par inadvertance.
Le télescope spatial à rayons gamma Fermi (FGRST) est à l'œuvre depuis 11 ans maintenant. Mazziotta et Loparco ont étudié des images de la Lune depuis la durée de la mission du télescope, et au cours de cette période, la vue s'est améliorée.
"... la Lune ne passerait jamais par son cycle mensuel de phases et aurait toujours l'air pleine."
Francesco Loparco, Institut national italien de physique nucléaire.
La force des rayons gamma de la Lune n'est pas toujours cohérente. Cela varie avec le temps. Mazziotta et Loparco ont rassemblé des données sur les rayons gamma de la Lune qui dépassaient 31 millions d'électrons volts, soit 10 millions de fois plus puissants que la lumière visible, et les ont organisés au fil du temps. Cela a donné l'image suivante, qui montre la vue s'améliorant avec le temps.
"Vu ces énergies, la Lune ne passerait jamais par son cycle mensuel de phases et aurait toujours l'air pleine", a déclaré Loparco.
Le fait que la Lune émette ces rayons gamma est une mise en garde. Le programme Artemis de la NASA verra plus d'astronautes sur la Lune pendant des périodes potentiellement plus longues que les autres missions lunaires. Ils devront être protégés à la fois des rayons cosmiques qui frappent la Lune et des rayons gamma de la Lune qui en résultent.
Une interaction complexe
L'interaction entre les rayons cosmiques, les rayons gamma, la Lune et le Soleil peut être complexe. Les rayons gamma peuvent avoir différents niveaux d'énergie. Par exemple, ces images FGRST capturent uniquement les rayons gamma qui dépassaient 31 millions d'électrons volts (MeV) d'une certaine quantité. Mais les rayons gamma peuvent être beaucoup plus énergétiques que cela, et peuvent atteindre des milliards, voire des milliers de milliards de MeV.
Étant donné que la charge électrique des rayons cosmiques signifie qu'ils peuvent être déviés par des champs magnétiques et que le Soleil a un champ magnétique puissant, seuls les plus puissants peuvent frapper le Soleil. À leur tour, ces puissants rayons cosmiques frappent la partie dense de l'atmosphère du Soleil et créent des rayons gamma très puissants. Ainsi, le Soleil est en fait plus brillant en rayons gamma au-dessus de 1 milliard d'électrons volts que la Lune.
Le cycle de 11 ans du Soleil affecte également les rayons cosmiques qui frappent la Lune et les rayons gamma qui en résultent. Pendant ce cycle, le Soleil subit des variations de son champ magnétique. En conséquence, parfois plus de rayons cosmiques frappent la Lune que d'autres fois. Cette variabilité des rayons cosmiques frappant la surface lunaire crée une variabilité des rayons gamma lunaires. Selon les données de Fermi, il peut varier de 20%.
Les rayons gamma provenant de la Lune, et les rayons cosmiques qui les provoquent, représentent tous deux une menace pour les astronautes parce que les deux sont des rayonnements ionisants avec un grand pouvoir de pénétration. Il faut beaucoup de blindage pour les empêcher de frapper les astronautes. Les matériaux à numéro atomique élevé sont des boucliers efficaces. Le plomb (numéro atomique 82) est un bon bouclier car il est également très dense.
Pour les rayons gamma de faible énergie, le risque pour les astronautes est dû à une exposition dans le temps. Pensez à un technicien en radiologie par rapport à un patient en radiologie. L'exposition à vie des patients aux rayons X n'est pas très élevée, donc un patient accepte le risque. Pour le technicien cependant, les choses sont différentes. Ils sont exposés chaque jour ouvrable, ils quittent donc la pièce et sont protégés des rayons X par des matériaux comme le plomb.
C'est pareil pour les astronautes. Plus ils passent de temps sur la Lune dans un environnement de rayons gamma / rayons cosmiques, plus ils ont besoin de limiter leur exposition. Non seulement par le blindage, mais par le timing.
Essayer de comprendre l'environnement de rayonnement de la Lune
Ces données du Fermi Gamma-Ray Space Telescope aident les scientifiques à comprendre le risque de rayons gamma / rayons cosmiques sur la Lune. S'il y a des moments où la Lune émet 20% de rayonnement gamma en moins à cause du cycle de 11 ans du Soleil, alors il peut être judicieux d'utiliser ce temps.
L'exposition aux rayonnements est l'un des principaux obstacles aux voyages dans l'espace et aux missions spatiales à long terme. La magnétosphère et l'atmosphère de la Terre sont toutes deux des boucliers contre les radiations. Mais même en orbite terrestre basse, les astronautes risquent d'être exposés à un rayonnement plus important.
Si nous voulons avoir une présence humaine sur la Lune, il est impératif que nous comprenions l'environnement de rayonnement là-bas. La NASA a étudié l'environnement de rayonnement lunaire dès 2005 en prévision d'un avant-poste humain sur la Lune. Lorsqu'ils ont lancé le Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) en 2009, il contenait un instrument appelé Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CRaTER).
Le travail de CRaTER consiste à caractériser l'environnement de rayonnement de la Lune et son impact biologique sur les astronautes. Il utilise des plastiques pour imiter les tissus humains et les a placés derrière différents matériaux de protection. À l'époque, Harlan Spence, l'investigateur principal CRaTER, a déclaré: "Non seulement nous mesurerons le rayonnement, nous utiliserons des plastiques qui imitent les tissus humains pour voir comment ces particules hautement énergétiques pénètrent et interagissent avec le corps humain."
Les images de Fermi des rayons gamma de la Lune sont une autre pièce du puzzle du rayonnement. Et c'est un casse-tête qui doit être résolu avant qu'il y ait un espoir réaliste d'une base lunaire à long terme ou de missions en équipage sur Mars.
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