accélérateur cosmique

Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique.

Le ciel nocturne en lumière neutrino ressemble à une toile sur laquelle travaillent deux mains. L'une tient un pinceau large et doux : ce sont les restes de supernova, les enveloppes laissées par les explosions d'étoiles. L'autre serre une plume fine et dure : les microquasars, des systèmes binaires où un trou noir enroule la matière en jets étroits.

Pendant trois jours d'affilée, un laser a frappé un jet de gaz, et à chaque seconde naissait un faisceau d'électrons avec une énergie comparable à celle d'un petit éclair. Auparavant, de tels faisceaux n'étaient obtenus que dans d'immenses halls, où l'accélérateur occupait tout un bâtiment. Désormais, l'ensemble tient dans une pièce et a fonctionné sans défaillance pendant 72 heures.

Dans le ciel austral, derrière un épais rideau de poussière, se cache une source de rayons gamma — la lumière la plus énergétique de l'Univers. Elle brille si intensément qu'on la voit même à travers ce rideau, mais l'objet lui-même reste invisible. Les astronomes ont pointé le radiotélescope ALMA vers les nuages de gaz voisins et ont vu un motif qui a trahi l'invisible.

Un faisceau laser ordinaire va tout droit, comme la lumière d'une lampe de poche. Mais on peut enrouler la lumière en spirale — comme le filet d'un tire-bouchon. Un tel faisceau porte un moment angulaire orbital : il ne se contente pas d'éclairer, il fait tourner tout ce qu'il rencontre.

Dans les premiers instants, l'Univers s'est étendu à une vitesse prodigieuse. Ce processus est appelé inflation, et la force motrice est le champ de l'inflaton. Son énergie a poussé l'espace à s'étendre, comme la levure fait lever la pâte. Mais les physiciens soupçonnent que des « bulles » ont pu rester dans la pâte — des particules superlourdes nées de l'expansion elle-même.

Une boule de billard en heurte une autre dans l'obscurité totale. Le bruit de l'impact et le cliquetis des billes tombant dans les poches — voilà tout ce que l'on entend. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les interactions des particules élémentaires à des énergies qu'aucun accélérateur terrestre ne peut reproduire.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée que les protons et les neutrons familiers laissent place à de nouveaux acteurs. Là naissent les hypérons, des particules qui abritent un quark étrange.

Pendant longtemps, les astronomes ont cherché les « usines » des rayons cosmiques les plus énergétiques, ces particules qui portent en elles le macrocosme compressé à l'échelle du noyau atomique. Les suspects étaient les colossales régions de formation d'étoiles comme Cygnus OB2, où les vents des jeunes géantes entrent en collision.

En 1933, Fritz Zwicky évoquait pour la première fois une masse invisible maintenant les amas de galaxies. Des décennies plus tard, Vera Rubin dressait la carte de la rotation galactique, révélant la présence fantomatique de la matière noire.

À la fin des années 1990, le ciel étoilé a réservé une surprise : Saul Perlmutter et Adam Riess ont découvert que l'expansion de l'univers s'accélère.

Dans la constellation de l'Aigle, à environ 40 000 années-lumière de nous, fonctionne l'un des accélérateurs naturels les plus puissants de la Galaxie. Il s'agit du microquasar GRS 1915+105, une paire composée d'une étoile ordinaire et d'un trou noir.

Les ondes gravitationnelles — ce frémissement du cosmos provoqué par de lointains cataclysmes — sont si faibles que les capter revient à entendre un murmure dans un ouragan. Mais un trou noir peut les amplifier considérablement.

Un laser d'usine, qui sur les chaînes de production découpe et soude le métal, a été utilisé pour la première fois comme accélérateur de particules.

Le cosmos est peuplé de sprinters invisibles — des particules filant à une vitesse proche de celle de la lumière. On les capture dans le vent solaire, près des étoiles à neutrons et même dans le vide intergalactique entre les galaxies. Mais qu'est-ce qui les propulse là où il n'y a ni ondes de choc, ni reconnexions magnétiques ?

Depuis près d'un siècle, les cosmologistes se heurtent à une énigme : qu'est-ce qui fait que l'Univers s'étend de plus en plus vite ? La réponse standard — l'énergie noire — engendre un désaccord colossal entre la densité théorique du vide et les observations. Mais il existe une autre voie, qui bouleverse la causalité.

Par une chaude après-midi, une chaleur étouffante pèse sur la ville, et pas un nuage à l'horizon. D'habitude, par un temps pareil, on ne peut qu'attendre que la nature se montre clémente et apporte un peu de fraîcheur. Et si l'on pouvait programmer l'ombre et la pluie comme on allume la lumière dans une pièce ?

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Ainsi, la lumière des galaxies lointaines se diffuse dans toutes les directions — calmement et régulièrement. Mais au centre de certaines galaxies se cache non pas une pierre, mais un véritable canon : il projette des particules avec une force monstrueuse. Les astronomes appellent ces objets HSP BL Lac.

Juste après le Big Bang, des amas pesant un trillion de soleils et porteurs d'une charge électrique colossale – comme des trillions de ballons électrisés – ont pu flotter dans l'espace.

Juste après le Big Bang, l'espace s'est dilaté à une vitesse inimaginable — c'est l'inflation. Aujourd'hui, l'expansion a ralenti, mais les galaxies s'éloignent de plus en plus vite. La coupable de cette accélération a été nommée énergie noire.

Dans les profondeurs de la mer Méditerranée, où l'eau exerce une pression de plusieurs centaines d'atmosphères, un réseau de sphères photosensibles attendait un hôte rare. Et il est venu – un neutrino qui a traversé l'épaisseur de la Terre avec une énergie comparable à celle d'une brique en vol.

Chaque seconde, nous sommes traversés par des projectiles invisibles venus des profondeurs du cosmos. Ce sont les rayons cosmiques — des noyaux atomiques propulsés à des vitesses presque indiscernables de la vitesse de la lumière. Leur énergie dépasse de centaines de millions de fois celle accessible à nos accélérateurs les plus puissants.

Un ballon se gonfle tout seul, alors que personne ne souffle dedans. C'est à peu près ce à quoi ressemble l'expansion accélérée de l'Univers – et pour l'expliquer, on invoque généralement l'énergie noire, une force invisible et incompréhensible. Mais et si le ballon se gonflait parce que de nouvelles molécules d'air apparaissent continuellement à l'intérieur ?

L'Univers se dilate de plus en plus vite, et les scientifiques accusent l'énergie noire. Son origine est expliquée d'une manière nouvelle : l'énergie noire n'est pas éternelle, elle n'apparaît qu'après que la matière noire se soit agglomérée en grumeaux — les futures galaxies.

Les rayons gamma d'énergie supérieure à cent mille milliards d'électronvolts, c'est comme des pierres lancées avec une force incroyable. Pendant longtemps, on a pensé que seuls les protons — ces particules lourdes accélérées dans les accélérateurs cosmiques — pouvaient lancer de telles « pierres ».

Au cœur de la constellation de l'Aigle se cache une nébuleuse qui ressemble à une bulle en expansion. Elle est soufflée par une minuscule étoile de la taille d'une ville — un pulsar qui effectue plusieurs rotations par seconde et perd de l'énergie de rotation.

Tout comme la levure transforme la farine en une pâte bien levée, l'« assaisonnement » radioactif d'une supernova — l'explosion d'une étoile massive en fin de vie — aide à façonner une planète rocheuse. L'ingrédient clé ici est l'aluminium-26, un isotope radioactif qui, en se désintégrant, libère de la chaleur.

En 1929, Edwin Hubble a découvert que les galaxies s'éloignent – l'Univers est en expansion, comme une pâte qui lève. Aujourd'hui, nous savons qu'il s'étend de plus en plus vite, et l'on attribue généralement cette accélération à l'énergie noire.

Quand une étoile massive explose, sa matière s'étend sur des années-lumière, formant un reste de supernova — un nuage géant de gaz surchauffé. Un de ces objets, IC 443, était depuis longtemps soupçonné de produire des particules d'énergies colossales. Mais les preuves manquaient.