Les rayons gamma sont une forme de rayonnement électromagnétique, la famille d'ondes qui comprend la lumière visible et les ondes radio. Ils ont les longueurs d'onde les plus courtes et l'énergie la plus élevée de toute cette famille. La longueur d'onde indiquée ici est de 1 picomètre, à peu près celle des rayons gamma émis par le cobalt 60 radioactif. Un picomètre est un billionième de mètre, ou un millième de nanomètre.

Longueur d'onde

Une longueur d'onde est la distance entre deux crêtes successives d'une onde. La NASA considère comme rayon gamma toute onde électromagnétique de moins d'environ 10 picomètres. La valeur choisie par l'explorateur, 1 picomètre, correspond au dixième de cette limite. Plus une onde est courte, plus elle transporte d'énergie ; c'est pourquoi les astronomes qui étudient les rayons gamma les décrivent en général plutôt par leur énergie.

Les rayons gamma chevauchent les rayons X, et les deux sont distingués de différentes façons. L'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) les distingue par leur origine : les rayons gamma proviennent du noyau d'un atome, tandis que les rayons X viennent de l'extérieur de ce noyau. Les astronomes, eux, les distinguent uniquement par leur énergie.

Presque à chaque désintégration d'un atome de cobalt 60, celui-ci libère deux rayons gamma, de longueurs d'onde d'environ 1,06 et 0,93 picomètre. La valeur de l'explorateur, 1 picomètre, se situe entre les deux.

Comparaisons de taille

Un atome d'hydrogène, d'environ 0,1 nanomètre de diamètre, équivaut à environ 100 fois cette longueur d'onde. Un ångström, une unité de longueur égale à 100 picomètres, en vaut exactement 100.
Les longueurs d'onde des rayons X vont d'environ 10 picomètres à 10 nanomètres, soit de 10 à 10 000 fois celle de ce rayon gamma.
La lumière visible a des longueurs d'onde de 400 à 700 nanomètres, du violet au rouge. Cela représente de 400 000 à 700 000 fois cette longueur d'onde.
Environ 80 à 100 millions de ces longueurs d'onde, mises bout à bout, couvriraient la largeur d'un cheveu.
Si cette longueur d'onde était étirée jusqu'à 1 millimètre, un atome d'hydrogène mesurerait environ 11 centimètres de diamètre, et un cheveu humain ferait de 80 à 100 kilomètres de large.

D'où viennent les rayons gamma

Dans l'espace, les rayons gamma proviennent des objets les plus chauds et les plus énergétiques : les étoiles à neutrons, les étoiles en explosion appelées supernovas, et les régions entourant les trous noirs. Les éclats les plus puissants, appelés sursauts gamma, peuvent libérer en 10 secondes plus d'énergie que le Soleil n'en émettra pendant toute sa vie, soit environ 10 milliards d'années.

Sur Terre, les rayons gamma proviennent de la foudre, des explosions nucléaires et de la désintégration radioactive. Le cobalt 60, par exemple, se forme lorsque l'acier d'un réacteur nucléaire est frappé par des neutrons, et la moitié de tout échantillon se désintègre tous les 5,27 ans. Les hôpitaux utilisent ses rayons gamma en radiothérapie.

Comment les rayons gamma sont arrêtés et détectés

Les rayons gamma peuvent traverser entièrement le corps humain, endommageant au passage les tissus et l'ADN. Les arrêter peut demander plusieurs pouces d'un métal dense comme le plomb, ou quelques pieds de béton. Leurs longueurs d'onde sont si courtes qu'ils peuvent traverser l'espace vide à l'intérieur des atomes d'un détecteur.

Contrairement à la lumière et aux rayons X, les rayons gamma ne peuvent pas être captés et réfléchis par des miroirs. Les détecteurs de rayons gamma contiennent plutôt des blocs de cristal très dense. Un rayon gamma qui les traverse heurte des électrons du cristal, et ces collisions produisent un signal que le détecteur peut enregistrer. L'atmosphère terrestre absorbe les rayons gamma venus de l'espace, si bien que les télescopes à rayons gamma, comme Fermi de la NASA, fonctionnent en orbite.

Sources

Wavelength, Frequency, and Energy. NASA Imagine the Universe, 2013.
Electromagnetic Spectrum: Introduction. NASA Imagine the Universe, 2013.
Gamma Rays. NASA Science, 2023.
Radiation Basics. U.S. Environmental Protection Agency, 2026.
Radionuclide Basics: Cobalt-60. U.S. Environmental Protection Agency, 2026.
Recommended Gamma-Ray Energies and Emission Probabilities. IAEA Nuclear Data Section.
Planck Constant in eV/Hz. NIST, CODATA 2022.
Bohr Radius. NIST, CODATA 2022.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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