Les rayons gamma sont la forme de rayonnement électromagnétique ayant le plus d’énergie et la plus petite longueur d’onde. Elles sont définies comme des ondes dont la période (longueur d’onde) est inférieure à 1 picomètre, soit 0.001 nanomètre. Par comparaison, le diamètre d’un atome d’hydrogène est de 50 picomètres. Par conséquent, la longueur d’onde du rayonnement gamma est par définition subatomique. Leur énergie est de l’ordre de 1.25 MeV (méga-électron-volt) ou plus. Les rayons gamma sont générés lors d’événements très énergétiques tels que les supernovae, dans et autour de corps de matière exotique comme les étoiles à neutrons, les pulsars et les trous noirs, ou de manière moins spectaculaire lorsque des noyaux radioactifs se décomposent dans le milieu interstellaire.
La longueur d’onde des rayons gamma peut descendre jusqu’à 10-15 ou 0.000001 nanomètres, autour du rayon classique d’un électron. Lorsque la longueur d’onde diminue, l’énergie correspondante augmente. En raison de leur énorme énergie, les rayons gamma sont extrêmement difficiles à arrêter. Protéger quelque chose des rayons gamma nécessite des boucliers épais (1m+) de substances avec un numéro atomique aussi élevé que possible. Le plomb est une substance populaire. On sait que les rayons gamma traversent 3 mètres de béton. En raison de leurs hautes énergies et de leur capacité de pénétration, les rayons gamma sont extrêmement dangereux sur le plan biologique – ils peuvent tuer les cellules vivantes au contact. L’effet initial le plus dangereux d’une explosion nucléaire est le flash de rayons gamma.
Les rayons gamma ont été observés pour la première fois par Paul Ulrich Villard en 1900, alors qu’il étudiait la radioactivité de l’uranium. Initialement, on soupçonnait que les rayons gamma étaient des particules, comme ses cousins radiatifs les particules alpha et bêta, mais les faire briller à travers un cristal a prouvé qu’il s’agissait bien d’ondes électromagnétiques. Comme les particules alpha et les particules bêta, les rayons gamma sont des rayonnements ionisants, bien que (contrairement aux particules bêta) ne soient pas eux-mêmes chargés. Les rayonnements ionisants sont suffisamment puissants pour retirer les électrons des atomes qu’ils frappent, les chargeant et perturbant le matériau résident.
L’un des phénomènes les plus étonnants concernant les rayons gamma est celui du sursaut gamma (GRB). Ce sont des explosions massives de rayons gamma qui se produisent dans l’espace lointain. Ils sont l’activité la plus énergétique de l’univers depuis le Big Bang. (Plus énergétique que les supernovae.) En 10 secondes, un grand sursaut de rayons gamma libère plus d’énergie que le Soleil n’en libérera au cours de sa durée de vie de 10 milliards d’années. Divers ont été construits pour expliquer divers types de sursauts gamma. La théorie qui prévaut est celle d’un collapsar. Un collapsar est une étoile supermassive spéciale qui éjecte des jets relativistes à haute énergie de ses pôles tout en subissant la dernière étape d’effondrement. Nous les observons comme des GRB. Un type différent de GRB est probablement expliqué par des étoiles binaires dégénérées. Des étoiles à neutrons extrêmement denses peuvent occasionnellement entrer en collision, libérant d’énormes quantités de rayons gamma lors du processus de fusion.
Les rayons gamma sont également utilisés en médecine pour tuer les cellules malignes, telles que les cellules cancéreuses. Cette procédure est appelée chirurgie au couteau gamma.