champs magnétiques astrophysiques

La carte de la matière nucléaire dense ressemble à une carte routière : les lignes de transition de phase se croisent en des points critiques, comme des routes à des carrefours. Jusqu'à présent, on connaissait deux carrefours sur cette carte : la transition nucléaire liquide-gaz et le déconfinement, où les hadrons se désintègrent en quarks.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse un milliard de tonnes. On pourrait croire qu'il n'y a pas de meilleur endroit pour chercher des traces de gravité quantique. Mais entre le laboratoire et l'échelle fondamentale, il y a un gouffre de 10⁸⁰ en densité. Trois portes mènent à cette pièce.

Juste après le Big Bang, l'espace s'est refroidi de manière inégale. À certains endroits, des plis ont pu se former — des filaments d'énergie fins comme un cheveu, mais incroyablement denses. Les physiciens les appellent des cordes cosmiques.

Un ballon gonflable avec des lignes de champ magnétique dessinées au feutre : voilà un modèle simple du comportement d'un champ magnétique faible dans un univers en expansion. Tant que le ballon est petit, les lignes restent sagement sur le caoutchouc et ne gênent pas son étirement.

Quelque part au fin fond du cosmos, un phare radio s'allume pendant une fraction de seconde, puis s'éteint. Ces signaux sont appelés sursauts radio rapides. Ils proviennent d'autres galaxies et durent de la microseconde à la milliseconde.

Au cœur d'une étoile à neutrons — le vestige d'une étoile explosée — la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse des milliards de tonnes. Parmi cette matière hyperdense, une variété particulière de force pourrait agir, une qui ne concerne que les neutrinos muoniques et tauiques.

Une étoile à neutrons est une sphère de la taille d'une ville, mais avec une masse comparable à celle du Soleil. Son champ magnétique peut déchirer les atomes à des milliers de kilomètres de distance.

Une étoile massive s'effondre et naît un trou noir entouré d'un disque de plasma surchauffé. Pour que des jets étroits s'échappent de ce disque, il faut un champ magnétique ordonné. Mais à l'intérieur de l'étoile, il est enchevêtré.

Une étoile à neutrons est l'ancien noyau d'une étoile massive, compressé jusqu'à la taille d'une ville. En son cœur, la matière est si dense que les atomes n'existent plus, et que protons et neutrons se dissolvent dans une mer de quarks.

Un immense nuage de gaz sombre s'étendait à travers l'univers jeune. À l'intérieur, comme des doigts invisibles, les lignes de champ magnétique issues de la naissance même du monde le traversaient. Ces champs agissent sur les particules chargées, les poussant les unes vers les autres — comme une brise légère qui rassemble les feuilles mortes en tas.

Deux étoiles à neutrons se rapprochent en spirale, prêtes à fusionner en un instant. Leur danse ne dure que quelques fractions de seconde, mais juste avant le final, l'une des étoiles percute l'enveloppe magnétique de l'autre — tel un nageur qui fend l'eau en soulevant des vagues. À cet instant naît un système complexe de courants qui emportent l'énergie au loin.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la densité ne varie pas en douceur : elle chute par à-coups, formant des marches de densité. Sur ces marches, le vide se met soudain à enfanter des paires : un neutrino et un antineutrino.

Deux étoiles à neutrons sont des résidus ultra-denses d'astres morts, chacune de la taille d'une ville mais plus lourde que le Soleil. Dès 1934, leur existence fut prédite par Fritz Zwicky. Une cuillère à café de cette matière pèse des milliards de tonnes.

Imaginez une pièce minuscule cachée dans un coffre-fort parfait, mais dont les parois sont si fines que la pièce passe parfois à travers, laissant un son à peine perceptible. Les axions sont comme ces pièces, sauf qu'au lieu du métal, ce sont des particules, et au lieu du coffre, c'est la matière ordinaire.

Un puissant projecteur éclaire un épais brouillard. On ne voit pas le faisceau lui-même, mais le brouillard se met à scintiller faiblement – et révèle la présence du projecteur.

Dans un grand nuage de gaz où naissent les étoiles, les lignes de champ magnétique sont alignées à peu près dans la même direction, comme les fibres d'un morceau de feutre.

Huit géantes rouges — de vieilles étoiles gonflées, semblables à ce que deviendra notre Soleil — jouent faux. Leur surface oscille régulièrement, comme une cloche, mais dans cette sonnerie on entend des ratés : certains tons disparaissent, le rythme se brise.

L'étoile GJ 436 est une naine rouge sombre, et autour d'elle orbite une planète de la taille de Neptune, mais sur une orbite presque verticale. Les astronomes ont enregistré le spectre de cette étoile pendant 18 ans pour suivre ses taches et ses éruptions.

Après la mort d'une étoile massive, une supernova explose avec une puissance telle qu'un seul éclair brille plus qu'une galaxie entière. Dans ce brasier naissent des milliards d'axions, des particules invisibles qui ne laissent presque aucune trace.

Une étoile à neutrons, c'est une ville de la taille d'une mégapole compressée en un petit astéroïde. Autour d'elle bouillonne un plasma — un gaz de particules chargées — à travers lequel courent des ondes, comme des rides à la surface d'un étang.

Jusqu'à présent, on étudiait l'énergie noire comme le moteur d'une voiture, en ne regardant que la vitesse atteinte par l'expansion de l'univers.

Une galaxie entre dans un amas dense comme un coureur dans une foule. Le flux de gaz rencontré — appelé milieu intra-amas — lui arrache son propre gaz, étirant une longue queue lumineuse. Les astronomes ont surnommé ces galaxies des méduses : elles ont un corps et des tentacules flottants faits de matière arrachée.

Dans ses premiers instants, l'Univers ressemblait à une pâte qui tantôt lève rapidement, tantôt s'immobilise une seconde. Durant ces brèves poussées — que l'on appelle expansion entrecoupée — même d'infimes champs magnétiques ont pu croître, comme des bulles dans une pâte bien battue.

Un trou noir en rotation agit comme un générateur cosmique : sa rotation injecte de l'énergie dans un nuage scalaire invisible – l'un des candidats au rôle de matière noire. Le champ scalaire ressemble à la température : en chaque point de l'espace, il est décrit par un seul nombre, sans flèches ni vecteurs.

Les astronomes se creusent la tête au sujet des sursauts radio rapides — des signaux ultra-brefs provenant de galaxies lointaines. Certains se répètent, d'autres n'apparaissent qu'une seule fois.