Quand le Cosmos s’invite à bord…

Le programme de sciences participatives CosmicSail consiste en la mesure à bord de voiliers de particules invisibles venant du cosmos avec l’atmosphère. Le projet a une visée à la fois scientifique, et pédagogique et offre à tout citoyen la possibilité de s’investir dans un protocole scientifique via des échanges réguliers avec les scientifiques référents, depuis la confection d’un détecteur de particules cosmiques jusqu’à la collecte des données en mer, leur analyse et leur vulgarisation. De belles aventures en perspective qui nous feront voyager sur les océans du monde dont les plus reculés mais néanmoins fascinants que sont les océans polaires, tout en contribuant à éclaircir les mystères de ces particules invisibles qui nous viennent des confins de l’Univers.

Le rayonnement cosmique

La surface de l’océan est le lieu de rencontre entre l’océan et l’atmosphère, elle-même traversée par des particules invisibles venant du cosmos aux propriétés étonnantes et vecteurs d’énergie : les « particules cosmiques ». Ces particules cosmiques sont majoritairement des protons et des noyaux en provenance du soleil, de l’espace galactique et extragalactique. Leurs énergies peuvent prendre des valeurs très différentes. Les plus puissantes détectées sur terre ont l’équivalent de l’énergie cinétique d’une balle de tennis lancée à 160 km/h ! Les plus énergétiques d’entre elles vont franchir le champ magnétique terrestre qui nous sert de bouclier et interagir avec les molécules de la haute atmosphère en produisant des particules dites secondaires, moins énergétiques.

Les aurores polaires, un spectacle lumineux dû à la rencontre des atomes

Dans les régions polaires, l’entrée de ces particules dans l’atmosphère et leurs interactions avec les molécules qui la composent comme l’oxygène ou l’azote produit des particules de lumière qui forment les voiles de lumière observables lors des aurores australes (au pôle Sud) et boréales (au pôle Nord), autrefois appelées les « lumières du Nord ».  Ces phénomènes atmosphériques qui illuminent les nuits polaires sont aussi éblouissants et féériques qu’intrigants. Puisque ces phénomènes sont le fruit de la conjonction entre des particules chargées électriquement expulsées par le soleil (le « vent solaire ») avec le champ magnétique terrestre, leur occurrence est directement modulée par l’activité solaire et s’intensifie lors des éruptions solaires.

Contexte et enjeux

Nous sommes aujourd’hui au tout début du 25ème cycle solaire qui a débuté en décembre 2019 et atteindra un pic d’activité maximum en 2025. L’augmentation de l’activité solaire va se traduire par une hausse des éruptions solaires et des « éjections de masse coronale » (puissantes expulsions de plasma et de champ magnétique solaire). Cependant, ce nouveau cycle solaire se caractérise par un champ magnétique solaire particulièrement faible, favorisant l’entrée des particules cosmiques galactiques dans le Système Solaire. Or, il semblerait qu’actuellement l’intensité du champ magnétique de notre planète qui nous protège de ces particules, serait également en train de s’affaiblir, en particulier dans l’hémisphère occidental. Ainsi les rayons cosmiques sont actuellement particulièrement nombreux dans notre atmosphère.

En raison de leur grande vitesse et leur haute énergie, les particules cosmiques peuvent affecter les équipements technologiques exposés et les organismes vivants en altitude et dans l’espace. Certaines études suggèrent également qu’elles auraient un rôle possible dans certains phénomènes atmosphériques, tels la formation des nuages ​​et le déclenchement de la foudre, faisant d’eux des acteurs potentiels de la météo et du climat. Autant de raisons pour s’intéresser de près à ces particules invisibles et améliorer nos connaissances de leurs interactions avec notre environnement.

Les muons et leur détection au niveau de la mer

Pour tenter d’élucider ces mystères, nous concevons un instrument de mesure qui détectera la présence d’une catégorie de particules cosmiques secondaires les plus présentes à la surface des océans : les muons. On en capte en moyenne un par cm2 et par minute. Ce sont des particules chargées, analogues aux électrons mais plus lourdes et qui ont la capacité de traverser la
matière beaucoup plus facilement.

La mesure des muons à bord des voiliers permettra de mettre en évidence différents phénomènes qui influencent leur production tels que : l’activité solaire, les conditions météorologiques, et les anomalies magnétiques. Ils seront également plus ou moins nombreux selon la latitude: on s’attend à détecter plus de muons dans les régions polaires et lors des aurores polaires. En embarquant un détecteur de muons à bord des voiliers qui partent en expéditions nous rendrons ainsi visible l’invisible.

Objectifs

Scientifiques :

  • Compléter les connaissances de la dynamique des muons sur les océans et leurs interactions avec l’atmosphère via la mise en évidence des phénomènes qui modulent leur production (tels ceux liés à l’activité solaire, les conditions atmosphériques, et du champ magnétique terrestre).
  • Alimenter les modèles existants.

Pédagogiques :

  • Faire découvrir le sujet des particules cosmiques, témoins de l’interaction perpétuelle de la Terre et l’Homme avec l’environnement plus vaste qui l’entoure.
  • Initier à la démarche scientifique par la mise en place et la mise en pratique concrète d’un protocole réfléchi en amont.

Le kit de mesure

Pour collecter les données, un kit de mesure sera fourni aux équipiers. Le kit de mesure sera composé de:

  • Boitier de mesure composé d’un détecteur de muons, un GPS, un capteur de pression et de température.
  • Un bloc note et un crayon pour noter les conditions météorologiques notables (pluie, orage, ciel clair, ciel nuageux)
  • Une documentation d’utilisation du kit.
  • Un protocole de mesure.
  • Des ressources pour expliquer les enjeux scientifiques.

Le kit a pour vocation d’être reproduit par tous et distribué sur les différents réseaux, sous licence OpenSource.

Comment ça marche ?

Le détecteur de muons est simple d’utilisation, de petite taille (60 x 40 x 10 mm), de consommation réduite, et sur lequel des développements sont réalisés afin de l’adapter à la mesure sur voilier. Cet instrument innovant est spécialement développé pour être moins onéreux que les outils classiques et dédié à une utilisation citoyenne. La détection est basée sur le principe de scintillation : les muons sont détectés par l’émission du photon qu’ils induisent dans les lattes d’un scintillateur fait de matière organique (plastique), converti en impulsion électrique et amplifié ensuite par un photomultiplicateur. Le signal reçu à la sortie du photomultiplicateur est convertit en signal numérique de sorte qu’il soit mesurable par un microcontrôleur (ici un Arduino Nano).

Du fait de sa taille réduite, le détecteur n’aura pas les mêmes exigences et capacités que les détecteurs existants, et sera plutôt destiné à un usage général. Les mesures à bord des voiliers permettront d’obtenir des données à différentes latitudes, y compris dans les régions les plus reculées, sur des périodes de temps allant de la semaine à plusieurs mois et mettront en évidence les phénomènes qui modulent la production de muons.

Après assemblage et développement des kits de mesure qui équiperont les voiliers, les détecteurs-prototypes  seront testés en mer sur les voiliers des plaisanciers partenaires et modifiés/adaptés si nécessaire. On réfléchira notamment à une méthode permettant de garder les détecteurs à l’horizontale à bord du voilier afin de limiter l’impact du roulis/tangage sur la mesure. Les kits une fois validés pourront ensuite être embarqués en expédition. Les données seront acquises en continu de manière automatique pendant toute la navigation et stockées sur une carte mémoire ou visualisées directement sur un ordinateur via une connexion USB. Une fois collectées, les données seront ensuite traitées et analysées, avec l’aide du chercheur partenaire.

Statut du programme
Le prototype est en cours d’assemblage.

Partenaire scientifique
L’association a développé ce programme avec l’ONERA (Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales).
Illustration d’une gerbe de particules cosmiques.
Gerbe atmosphérique. Les muons sont en rose.

Schéma d’une éruption solaire à l’origine d’un flux de particules en direction de la Terre.
Aurore boréale @Frank Orsen
Détecteur de muons « CosmicWatch », dont on s’inspirera pour le détecteur CosmicSail.
Schéma su détecteur de muons.