Les rayons cosmiques et la santé des astronautes
Invisible, silencieux et presque impossible à arrêter, le rayonnement cosmique est l'un des principaux obstacles aux longs voyages habités. Comment on le mesure, ce qu'il fait au corps, et comment s'en protéger.
Sur Terre, nous sommes protégés deux fois : par le champ magnétique de la planète, qui dévie une grande partie des particules chargées venues de l'espace, et par l'atmosphère, qui absorbe le reste. Les astronautes de la Station spatiale internationale, en orbite basse, restent sous le premier bouclier mais au-dessus du second. Selon la NASA, ils reçoivent déjà plus de dix fois le rayonnement naturel terrestre. Au-delà, vers la Lune ou Mars, les deux protections disparaissent.
Deux sources de particules
Le rayonnement cosmique galactique vient de l'extérieur du système solaire, notamment des restes d'explosions d'étoiles, les supernovas. Il est fait de protons et de noyaux d'atomes plus lourds, dépouillés de leurs électrons et lancés presque à la vitesse de la lumière. Ces ions lourds traversent sans grande difficulté la paroi d'un vaisseau et le corps d'un astronaute, en laissant derrière eux une trace de molécules brisées, dont l'ADN.
Le second danger vient du Soleil. Lors des éruptions solaires et des éjections de masse coronale, notre étoile projette des bouffées de particules, surtout des protons, beaucoup moins énergétiques mais parfois très intenses. Leur fréquence suit le cycle solaire d'environ onze ans. À ces deux sources s'ajoutent, près de la Terre, les particules piégées dans les ceintures de Van Allen.
Mesurer une dose
Pour comparer les effets, on parle de dose. La dose absorbée D, en grays (Gy), est l'énergie déposée par kilogramme de tissu : 1 Gy correspond à 1 joule par kilogramme. Mais à énergie égale, un ion lourd fait plus de dégâts biologiques qu'un rayon gamma. On pondère donc la dose par un facteur w_R qui dépend du type de rayonnement, pour obtenir une dose équivalente en sieverts (Sv) :
H = w_R \cdot D
Selon la NASA, les astronautes sont exposés, selon les missions, à des doses efficaces comprises entre 50 et 2 000 millisieverts, et 1 millisievert équivaut à peu près à dix radiographies du thorax.
Pour préparer les voyages vers Mars, il fallait mesurer le rayonnement en route. C'est l'une des tâches du détecteur RAD, embarqué sur le rover Curiosity : il a enregistré protons, ions, neutrons et rayons gamma pendant la croisière vers Mars, puis à la surface de la planète. En 2018, des spécialistes de la NASA résumaient ainsi les ordres de grandeur : le débit de dose en espace lointain est deux à trois fois celui de la Station, celui de la surface lunaire environ une fois et demie, et celui de la surface martienne, protégée en partie par l'atmosphère et la planète elle-même, comparable à celui de la Station. Pour une mission martienne de trois ans, l'exposition serait d'un ordre de grandeur, soit environ dix fois, supérieure à celles que connaissent aujourd'hui les équipages de la Station.
Ce que l'on craint
Le risque le plus étudié est le cancer. En 2018, la NASA fixait la limite de carrière de façon à ne pas dépasser un excès de 3 % de risque de décès par cancer, une limite qui dépendait de l'âge et du sexe. Le rayonnement peut aussi atteindre le système nerveux central, avec des effets possibles sur les fonctions cognitives et motrices, ainsi que le système cardiovasculaire. Une éruption solaire majeure subie sans abri pourrait provoquer un syndrome d'irradiation aiguë.
Se protéger
Contre les éruptions solaires, la parade est connue : l'eau et le polyéthylène, riches en hydrogène, arrêtent bien les protons. Les équipages se réfugient dans les zones les mieux blindées du vaisseau ; dans la capsule Orion, ils peuvent se construire un abri avec le matériel de bord. Une sortie peut être retardée ou interrompue. Contre le rayonnement galactique, en revanche, aucun blindage raisonnable ne suffit : les ions lourds, en se fragmentant dans le blindage, produisent même des particules secondaires. Les pistes sont multiples : blindages composites intégrés aux structures, écrans magnétiques, médicaments protecteurs, meilleures prévisions de la météo spatiale, et surtout voyages plus courts.
Au laboratoire de rayonnement spatial de la NASA, installé au laboratoire national de Brookhaven, des faisceaux d'ions recréent ces particules pour tester leurs effets sur des cellules et des matériaux. Choisir puis démontrer la meilleure protection des équipages est l'objet d'une marche d'Anthropolaris (voir la marche J-CRW-06) ; une autre explore une protection biologique temporaire des cellules (voir la marche E-LIF-04).
Et sur Terre ?
Ces connaissances servent d'abord à ceux qui volent haut : les équipages d'avion, sur les routes polaires surtout, reçoivent davantage de rayonnement cosmique que le reste de la population, et les modèles affinés pour l'espace aident à évaluer leur exposition. Elles servent aussi en médecine. La hadronthérapie traite certains cancers avec des faisceaux de protons ou d'ions carbone, les mêmes particules que celles du rayonnement cosmique. Mieux comprendre comment ces ions abîment l'ADN aide à épargner les tissus sains autour d'une tumeur, et les blindages légers conçus pour l'espace pourraient intéresser les centres de traitement.
La grande inconnue demeure : l'effet, sur des années, d'un flux continu d'ions lourds à faible dose, que nul n'a encore subi. Chaque mission habitée vers la Lune, hors du champ magnétique terrestre, apportera des mesures précieuses.