Comment fonctionne le rayonnement spatial et pourquoi il menace les astronautes

La barrière invisible vers l'espace lointain

Le champ magnétique terrestre agit comme un gigantesque champ de force, déviant la plupart des particules chargées qui traversent le système solaire. Les astronautes à bord de la Station spatiale internationale bénéficient encore d'une protection magnétique partielle en orbite terrestre basse. Mais dès qu'un vaisseau spatial dépasse ce cocon – comme l'a fait l'équipage d'Artemis II de la NASA lors de son survol lunaire – ses occupants sont confrontés à la pleine puissance du cosmos. Le rayonnement spatial est largement considéré comme le principal risque pour la santé lors des missions au-delà de l'orbite terrestre basse, et sa résolution reste l'un des problèmes les plus difficiles du vol spatial habité.

Trois menaces, trois échelles de temps

Le rayonnement spatial se présente sous trois formes distinctes, chacune étant dangereuse à sa manière.

Ceintures de Van Allen

Autour de la Terre se trouvent des zones en forme de beignet d'électrons et de protons piégés, appelées ceintures de Van Allen. Les vaisseaux spatiaux doivent les traverser à l'aller et au retour. L'exposition est intense mais brève – le transit ne prend que quelques minutes à quelques heures – de sorte que les planificateurs de mission peuvent minimiser les risques en choisissant la trajectoire la plus rapide à travers la partie la plus mince des ceintures.

Événements de particules solaires

Le Soleil entre périodiquement en éruption lors de violentes décharges qui projettent des flux de protons de haute énergie dans l'espace. Ces événements de particules solaires (SPE) sont intermittents et imprévisibles, mais lorsqu'ils se produisent, les débits de dose peuvent atteindre des niveaux dangereux en quelques heures. Un SPE majeur lors d'une sortie extravéhiculaire non protégée pourrait administrer une dose potentiellement mortelle. La NASA et la NOAA surveillent l'activité solaire 24 heures sur 24 à l'aide du Solar Dynamics Observatory, du Solar and Heliospheric Observatory et d'autres engins spatiaux afin de donner aux équipages un avertissement précoce.

Rayons cosmiques galactiques

La menace la plus insidieuse provient des rayons cosmiques galactiques (RCG) – des noyaux atomiques accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière par des explosions de supernova lointaines. Les RCG forment un fond constant à faible dose qui ne s'éteint jamais. Parmi eux, on trouve des particules à charge élevée et à haute énergie (HZE) – des noyaux de fer et d'autres ions lourds qui traversent l'ADN comme une balle à travers du papier de soie, laissant des traces denses de dommages moléculaires que les cellules ont du mal à réparer.

Pourquoi le blindage seul ne fonctionnera pas

Pour les événements de particules solaires, l'ajout de masse au vaisseau spatial est d'une grande aide. Les astronautes d'Artemis II, par exemple, peuvent reconfigurer leur cabine en repositionnant l'équipement stocké pour créer un abri anti-radiations improvisé. Mais pour les rayons cosmiques galactiques, le blindage devient paradoxal. Lorsqu'un ion lourd de haute énergie percute une paroi métallique, il peut se fragmenter en une pluie de particules secondaires – y compris des neutrons – qui peuvent causer encore plus de dommages biologiques que la particule d'origine. Selon les recherches de la NASA, la masse de blindage nécessaire pour réduire de manière significative l'exposition aux RCG lors d'une mission vers Mars dépasserait toute capacité de lancement réaliste.

Ce que le rayonnement fait au corps

L'Élément de rayonnement spatial de la NASA identifie quatre principaux problèmes de santé :

• Cancer : Le rayonnement ionisant endommage directement l'ADN ou génère des radicaux libres qui l'attaquent. Les particules HZE provoquent des ruptures d'ADN complexes et groupées qui sont plus difficiles à réparer correctement, ce qui augmente le risque à long terme de formation de tumeurs.
• Effets sur le système nerveux central : Des études sur des animaux montrent que les particules semblables aux rayons cosmiques peuvent altérer la mémoire, la prise de décision et l'humeur, ce qui soulève des inquiétudes quant aux performances de l'équipage lors de missions de plusieurs années.
• Maladies dégénératives : Les cataractes, les lésions cardiovasculaires et le vieillissement accéléré des tissus ont tous été liés à l'exposition aux rayonnements spatiaux.
• Maladie aiguë des radiations : Un événement majeur de particules solaires sans abri adéquat pourrait provoquer des nausées, une suppression immunitaire et, dans les cas extrêmes, la mort.

Comment la NASA mesure le risque

L'exposition aux rayonnements n'est pas un simple chiffre. Le débit de dose, le type de particule, la direction et le blindage sont tous importants. La NASA utilise le système Hybrid Electronic Radiation Assessor (HERA) à bord d'Orion, qui utilise six capteurs pour mesurer les débits de dose dans toute la cabine en temps réel. Les astronautes portent également des dosimètres personnels. Au sol, le NASA Space Radiation Laboratory du Brookhaven National Laboratory simule les rayons cosmiques en tirant des faisceaux d'ions lourds sur des échantillons biologiques et des matériaux de blindage, construisant ainsi les modèles de risque qui détermineront combien de temps les futurs équipages pourront rester en toute sécurité dans l'espace lointain.

La voie à suivre

Pour une mission lunaire de dix jours comme Artemis II, la dose prévue – à peu près équivalente à un scanner corporel entier – est gérable. Mais une mission vers Mars de deux à trois ans change complètement la donne. Les chercheurs explorent des contre-mesures biologiques, notamment des médicaments qui stimulent la réparation de l'ADN ou éliminent les radicaux libres. D'autres étudient un blindage magnétique actif qui pourrait dévier les particules chargées comme le fait le champ terrestre, bien que les défis d'ingénierie restent immenses. En attendant que ces solutions arrivent à maturité, le rayonnement spatial restera le gardien invisible qui se dresse entre l'humanité et le système solaire lointain.