Flash de rayons gamma terrestres

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Simulation numérique en 3-D d'un flash de rayon gamma.
Les points rouges représentent des flashs de rayons gamma capturés quotidiennement en 2010 par le télescope spatial Fermi.

Les flashs de rayons gamma terrestres (TGF, de l'anglais Terrestrial Gamma-ray Flash) réfèrent aux émissions de rayons gamma par l'atmosphère terrestre, associées aux orages. Observés pour la première fois depuis l'espace en 1991 par l'Observatoire de rayons gamma Compton, les TGF durent entre 0,1 et 2 millisecondes, et ont des énergies allant jusqu'à 40 mégaélectron-volt (MeV) [1].

Des chercheurs ont déterminé qu'environ 50 TGF se produisent quotidiennement[2]. Des émissions de positrons et d'électron de haute énergie sont également associées aux TGF.

Les flashs de rayons gamma terrestres sont probablement causés par une émission Bremsstrahlung produit par une avalanche d'électrons runaways relativites (en) accélérés par des champs électriques intenses produits au-dessus ou à l'intérieur de certains orages[1].

Observations[modifier | modifier le code]

Les flash de rayons gamma terrestres ont été observés pour la première fois en 1991 par le détecteur d'impulsions gamma de faible énergie BATSE, à l'Observatoire de rayons gamma Compton. Pendant 2 ans, les scientifiques n'ont pu observer qu'une douzaine de flashs, pour un total de 74 phénomènes observés pendant les neuf ans d'existence du satellite[3], ne sachant pas vraiment ce qu'était ce phénomène et où il se produisait. Ces phénomènes n'avaient pas encore été observés principalement pour deux raisons : les outils et les détecteurs utilisés en astronomie gamma de haute énergie utilisaient un collimateur et personne n'avait pensé à viser un orage électrique avec ces instruments et la résolution temporelle des satellites de l'époque ne permettaient pas de détecter les TGF, qui se produisent extrêmement rapidement[4].

Par la suite, le Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RRHESSI), plus performant, a permis d'observer les dégagements de rayons gamma dans un spectre de 10 à 20 MeV. Le RRHESSI a ainsi observé 499 flashs en 3 ans d'observations[3],[2]

De plus, dans une autre étude, des chercheurs ont déterminé que, dans 50 % des cas analysés, le satellite RHESSI a reçu l'émission électrique des TGF entre 0 et 1 milliseconde après que celui-ci s'est produit, ce qui peut amener une idée sur la vitesse à laquelle ces particules se dispersent[5].

Principes physiques[modifier | modifier le code]

Schéma présentant le fonctionnement d'un flash de rayon gamma.

La production des flashs de rayons gamma terrestres est encore mal comprise. Les flashs seraient émis lorsque des électrons, voyageant à des vitesses proches de celle de la lumière, entrent en collision avec les noyaux des atomes de l’air. L’énergie résultante est alors émise sous forme de rayons gamma par rayonnement continu de freinage (ou Bremsstrahlung).

Une quantité importante d’électrons en mouvement peut être formée par l’effet avalanche causé par un champ électrique intense. Les champs électriques sont fort probablement engendrés par la foudre puisque la plupart des TGF enregistrés se sont produits dans les quelques millièmes de secondes suivant cette dernière[6]. Au-delà de ce principe rudimentaire, les détails du phénomène sont plus flous et demeurent de l'ordre de l'hypothèse.

L’une d’entre elles postule que les TGF peuvent être provoqués par d'autres types de foudre ou de décharges électriques qui se produisent dans l’atmosphère terrestre, tels les farfadets, les elfes et les jets[7] (que l'on regroupe sous l'appellation de phénomènes lumineux transitoires).

Ainsi, on suppose que le champ électrique pourrait être induit par la séparation de charges dans un nuage d'orage, souvent en lien avec les farfadets[8]. Il pourrait également être induit par l'impulsion électromagnétique d'une décharge de foudre, ce qui est associé aux elfes. D’autre part, il y a des TGF en absence de foudre bien qu'ils se produisent toujours dans l'espace les entourant. Ce phénomène a amené une comparaison aux jets bleus car ils ne semblent pas être directement en lien avec l'activité des éclairs non plus.

Les recherches récentes tendent toutes vers un modèle de production à l'intérieur du nuage d'orage (< 15 kilomètres d'altitude) [9], et semblent donc abandonner l'hypothèse d'un lien direct avec les événements lumineux transitoires [10].

Faisceaux d'électrons et de positrons[modifier | modifier le code]

Les flashes de rayonnement gamma terrestre sont capables de produire des paires électrons / positrons en interagissant avec l'atmosphère terrestre à plus haute altitude [11]. Une partie de ces électrons et positrons sont capables de s'échapper de l'atmosphère terrestre et sont ensuite guidés par les lignes de champ magnétique terrestre, formant un faisceau [12]. En 2011, le Fermi Gamma-ray Space Telescope a reporté l’observation d'un TGF relativement long (>5 millisecondes) présentant une raie à 511 keV dans son spectre d'énergie, ce qui est cohérent avec un tel faisceau, qui serai ainsi composé d'environ 15% de positrons et 85% d'électrons [13]. Dans les années suivantes, une vingtaine d’événements similaires ont pu être observés [14].

Aviation[modifier | modifier le code]

Des chercheurs pensent que les TGFs représentent un danger pour les avions commerciaux. En effet, ces avions atteignent parfois la même altitude que celle où se produisent les TGFs (environ 10 à 15 kilomètres), ce qui fait qu'ils pourraient être directement touchés par ceux-ci, même s'ils doivent éviter d’entrer dans les nuages d'orages [15]. Une dose de rayons gamma provenant des orages pourrait être jusqu'à 400 fois plus élevée que celle reçue lors d'une radiographie. Cela pourrait augmenter le risque de développement d'un cancer[16]. Il y a aussi un effet potentiel sur l'équipement électronique de l'avion [17].

Notes et références[modifier | modifier le code]

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Terrestrial gamma-ray flash » (voir la liste des auteurs).
  1. ↑ a et b (en) Joseph R. Dwyer, « High-Energy Atmospheric Physics: Terrestrial Gamma-Ray Flashes and Related Phenomena », Space Sci Rev, no 173:133–196,‎ (lire en ligne)
  2. ↑ a et b (en) David M. Smith, Liliana I. Lopez, R. P. Lin, Christopher P. Barrington-Leigh., « Terrestrial Gamma-Ray Flashes Observed up to 20 MeV », Science, vol. 307, no 108,‎ , p. 1085-1088 (lire en ligne)
  3. ↑ a et b (en) M. B. Cohen, U. S. Inan et G. Fishman, « Terrestrial Gamma-ray Flashes Observed on BATSE/CGRO and ELF/VLF Radio Atmospherics », Atmospheric and Space Electricity [AE] - AE33A MCC:Level 2 - Terrestrial Gamma Ray Flashes, Relativistic Runaway Breakdown, and Related Phenomena III Posters, American Geophysical Union,
  4. ↑ (en) G.J. Fishman, P.N. Bhat, R. Mallozzi, J.M. Horack, T. Koshut, C. Kouveliotou, G.N. Pendleton, C.A. Meegan, R.B. Wilson, W.S. Paciesas, S.J. Goodman et H.J. Christian, « Discovery of Intense Gamma-Ray Flashes of Atmospheric Origin », Science, Vol. 264, Numéro 51163, American Association for the Advancement of Science,‎ (lire en ligne, consulté le )
  5. ↑ (en) S. A. Cummer, Y. Zhai, W. Hu, D. M. Smith, L. I. Lopez et M. A. Stanley, « Measurements and implications of the relationship between lightning and terrestrial gamma ray flashes », Geophysical Research Letters, vol. 32, no 8,‎ (DOI 10.1029/2005GL022778, lire en ligne)
  6. ↑ (en) B. Carlson, M. Cohen et al., « Terrestrial Gamma-ray Flashes - Introduction »,
  7. ↑ (en) S. Umran, « Phénomènes de haute altitude associés aux éclairs : sprites, elves et émissions gamma terrestres »,
  8. ↑ (en) Nikolai G. Lehtinen, « Runaway Electrons and Terrestrial Gamma Rays », (consulté le )
  9. ↑ (en) N. Østgaard, T. Gjesteland, J. Stadsnes et P. H. Connell, « Production altitude and time delays of the terrestrial gamma flashes: Revisiting the Burst and Transient Source Experiment spectra », Journal of Geophysical Research: Space Physics, vol. 113, no A2,‎ , n/a–n/a (ISSN 0148-0227, DOI 10.1029/2007ja012618, lire en ligne, consulté le )
  10. ↑ (en) Joseph R. Dwyer, David M. Smith et Steven A. Cummer, « High-Energy Atmospheric Physics: Terrestrial Gamma-Ray Flashes and Related Phenomena », Space Science Reviews, vol. 173, nos 1-4,‎ , p. 133–196 (ISSN 0038-6308 et 1572-9672, DOI 10.1007/s11214-012-9894-0, lire en ligne, consulté le )
  11. ↑ (en) NASA, « NASA's Fermi Catches Thunderstorms Hurling Antimatter into Space », (consulté le )
  12. ↑ (en) Joseph R. Dwyer, Brian W. Grefenstette et David M. Smith, « High-energy electron beams launched into space by thunderstorms », Geophysical Research Letters, vol. 35, no 2,‎ (ISSN 0094-8276, DOI 10.1029/2007gl032430, lire en ligne, consulté le )
  13. ↑ (en) Michael S. Briggs, Valerie Connaughton, Colleen Wilson-Hodge et Robert D. Preece, « Electron-positron beams from terrestrial lightning observed with Fermi GBM », Geophysical Research Letters, vol. 38, no 2,‎ , n/a–n/a (ISSN 0094-8276, DOI 10.1029/2010gl046259, lire en ligne, consulté le )
  14. ↑ (en) O. J. Roberts, G. Fitzpatrick, M. Stanbro et S. McBreen, « The First Fermi -GBM Terrestrial Gamma Ray Flash Catalog », Journal of Geophysical Research: Space Physics, vol. 123, no 5,‎ , p. 4381–4401 (ISSN 2169-9380, DOI 10.1029/2017ja024837, lire en ligne, consulté le )
  15. ↑ (en) M. Tavani, A. Argan, A. Paccagnella et A. Pesoli, « Possible effects on avionics induced by terrestrial gamma-ray flashes », Natural Hazards and Earth System Sciences, vol. 13, no 4,‎ , p. 1127–1133 (ISSN 1561-8633, DOI https://doi.org/10.5194/nhess-13-1127-2013, lire en ligne, consulté le )
  16. ↑ (en) Ker Than, « Gamma Rays a Flight Risk? », National Geographic News, (consulté le )
  17. ↑ (en) J. R. Dwyer, D. M. Smith, M. A. Uman et Z. Saleh, « Estimation of the fluence of high-energy electron bursts produced by thunderclouds and the resulting radiation doses received in aircraft », Journal of Geophysical Research, vol. 115, no D9,‎ (ISSN 0148-0227, DOI 10.1029/2009jd012039, lire en ligne, consulté le )

Bibliographie[modifier | modifier le code]

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