Au centre d'une galaxie lointaine, où tourne un trou noir supermassif d'une masse de cent millions de soleils, l'espace est parcouru de champs magnétiques. Ils s'enroulent en tourbillons serrés — comme un entonnoir dans une coquille, mais au lieu de l'eau, il y a du plasma propulsé à des vitesses proches de celle de la lumière. C'est ici, sur les ondes de choc, que naissent des particules avec une énergie inaccessible à tout accélérateur terrestre.
Le mécanisme responsable s'appelle l'accélération de Fermi du premier ordre. La particule, telle une balle entre deux raquettes qui se rapprochent, rebondit à plusieurs reprises sur des inhomogénéités magnétiques en mouvement et gagne de l'énergie. Mais il y a aussi des freins : le rayonnement synchrotron (quand la particule tourne autour d'une ligne de champ magnétique et perd de l'énergie en émettant de la lumière) et la diffusion Compton inverse (les collisions avec des photons qui ralentissent la particule).
Les électrons ont moins de chance : ils sont plus légers et perdent de l'énergie plus rapidement, donc leur plafond est d'environ 120 gigaélectronvolts. Ces chiffres sont obtenus pour un trou noir typique de cent millions de masses solaires. Ainsi, la nature construit son propre accélérateur, et nous commençons tout juste à en comprendre les plans.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2607.20209
The aim of this work is to investigate particle acceleration by shock waves in the magnetospheres of supermassive black holes, where the magnetic field is vortex-driven. For this purpose, we investigated the first-order Fermi acceleration process at relativistic shocks in the magnetospheres of supermassive black holes. In our analysis, we considered synchrotron radiation and inverse Compton scattering as the principal energy-loss mechanisms limiting the maximum attainable particle energy. We investigated the acceleration of both protons and electrons and demonstrated that, for a typical supermassive black hole with a mass of $$10^8$$ solar masses, protons can be accelerated to energies of several hundred PeV, whereas electrons can attain energies of up to approximately 120 GeV.
Une énergie de plusieurs centaines de pétaélectronvolts est comparable à l'énergie d'un moustique en vol, mais elle est concentrée dans une seule particule subatomique — un proton.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, le signal extraterrestre provient précisément des environs d'un trou noir supermassif — peut-être que les accélérateurs naturels s'y cachent.