La distribution des énergies des particules de rayons cosmiques, montrant comment leur flux varie avec l'énergie.Le spectre des rayons cosmiques décrit comment le nombre de particules de rayons cosmiques—principalement des protons et des noyaux atomiques, mais aussi des électrons et des positrons—arrivant sur Terre varie avec leur énergie. Il s'étend sur une gamme énorme, allant de particules dont les énergies sont comparables à celles produites dans les accélérateurs de laboratoire jusqu'à des particules d'ultra-haute énergie, des millions de fois plus énergétiques que tout ce que l'humanité peut créer. Le spectre n'est pas une simple ligne droite : il présente un « genou » qui s'accentue autour de 10^15 eV, une « cheville » qui s'aplatit près de 10^18 eV, et une coupure nette aux énergies les plus élevées, chaque caractéristique suggérant des sources et des mécanismes d'accélération différents.
Le spectre des rayons cosmiques a été caractérisé pour la première fois dans les années 1950 et 1960 par des expériences comme le réseau Volcano Ranch, qui a découvert le premier événement d'ultra-haute énergie en 1962. Les caractéristiques du genou et de la cheville ont été identifiées dans les décennies suivantes par des instruments tels que les réseaux KASCADE et Akeno.
Le spectre est mesuré en combinant les données de nombreux détecteurs : des satellites et des ballons pour les basses énergies, des réseaux au sol pour les hautes énergies, et des détecteurs de fluorescence qui observent la faible lueur des gerbes atmosphériques. Le flux diminue rapidement avec l'énergie—approximativement selon une loi de puissance—de sorte que le spectre est généralement tracé avec les deux axes logarithmiques pour révéler sa structure. On pense que le genou marque la limite où les restes de supernova ne peuvent plus confiner et accélérer les particules, tandis que la cheville et la coupure reflètent probablement la transition vers des sources extragalactiques et l'interaction des particules d'ultra-haute énergie avec le fond diffus cosmologique.
Comprendre le spectre aide les astrophysiciens à identifier les sources de rayons cosmiques, telles que les restes de supernova et les noyaux actifs de galaxies, et éclaire également la conception de boucliers contre les radiations pour les vaisseaux spatiaux et les avions volant à haute altitude.
La particule de rayon cosmique la plus énergétique jamais détectée, la particule « Oh-My-God », avait une énergie d'environ 3 × 10^20 eV—comparable à celle d'une balle de baseball lancée à 100 km/h, mais portée par un seul proton.
