accélération de Fermi

En 1929, Edwin Hubble a pointé son télescope vers des galaxies lointaines et a découvert qu'elles s'éloignent. Quatre-vingt-dix ans plus tard, deux mesures de cette vitesse d'éloignement – l'une issue de la lumière ancienne, l'autre d'étoiles proches – refusent obstinément de coïncider.

Un piège lumineux maintient un atome presque immobile, comme une bille sur un ressort souple. Mais dès qu'une accélération apparaît, par exemple la force de gravité, l'équilibre se déplace. L'atome se déplace dans l'onde stationnaire lumineuse, et cela modifie le rythme auquel il échange de l'énergie avec le champ.

Le four est chauffé à blanc, mais la poudre de céramique reste meuble. On applique un champ électrique — et en quelques secondes, le matériau se tasse, durcit, se transforme en un monolithe résistant. Cette technique s'appelle le frittage flash (de l'anglais « flash », éclair), et elle économise des heures de cuisson et des gigawatts d'énergie.

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.

Quinze années d'observations du télescope à rayons gamma Fermi ont révélé une fissure dans le plancher de la Galaxie. Au sud de l'amas Westerlund 1 — l'amas stellaire jeune le plus massif de la Voie lactée — une émission étendue a été détectée, coïncidant avec une cavité dans l'hydrogène atomique.

L'énergie noire accélère l'expansion de l'Univers. Or, on a récemment découvert qu'elle n'est pas constante : sa poussée fluctue, comme une pompe qui fonctionne par à-coups. Les relevés DESI ont suggéré un brusque sursaut d'accélération dans un passé proche. L'explication se passe d'exotisme.

Le sursaut dure un millième de seconde, mais en cet instant, il libère autant d'énergie que le Soleil en émet en une journée. Ces signaux, appelés sursauts radio rapides, sont captés par les télescopes depuis 2007, et leur origine reste une énigme.

Dans les immenses nuages de gaz ténu qui emplissent l'espace entre les étoiles, ça bouillonne en permanence. Explosions de supernovae, flux en collision : tout cela secoue le plasma. Et dans ces ondulations, comme on l'a découvert, se cache un mécanisme de naissance des champs magnétiques.

L'espace est parcouru de champs magnétiques. On en trouve autour des galaxies, des étoiles, et même dans les vides cosmiques (les immenses espaces vides entre les amas de galaxies). On considère généralement que ces champs sont amplifiés à partir de champs « germes » faibles grâce à la turbulence, un peu comme une dynamo.

Le mystère des sursauts radio rapides (FRB) n'est pas seulement une question de « qu'est-ce qui a explosé ? ». C'est un drame de transfert d'énergie dans des conditions extrêmes, où le moindre accroc mène à l'effondrement.

Il y a près de quinze ans, le télescope à rayons gamma Fermi détectait de mystérieuses « bulles » – d'immenses nuages de plasma, comme gonflés par des poumons invisibles, s'élevant à des dizaines de milliers d'années-lumière du centre de la Galaxie.

Une étoile massive ne s'éteint pas simplement — elle explose en supernova, laissant derrière elle un rémanent en expansion et une étoile à neutrons qui tourne furieusement — un pulsar.

Une charge en mouvement accéléré émet généralement de la lumière — c'est un fait banal. Mais des physiciens ont découvert que si la charge glisse le long d'une trajectoire particulière, son rayonnement se comporte différemment.

Dans les années 1920, Edwin Hubble a remarqué que les galaxies s'éloignent les unes des autres – c'est ainsi que l'expansion de l'univers a été découverte.

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.

Lorsqu'une étoile massive explose en supernova, ses couches externes sont éjectées dans l'espace à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde. Une onde de choc se forme — un gigantesque rouleau invisible qui balaie le gaz et la poussière interstellaires comme un bulldozer.

L'espace interstellaire n'est pas vide : il est rempli d'un gaz ténu, tantôt chaud, tantôt froid. Les frontières entre ces régions évoquent les parois entre des bulles de savon.

Un faisceau d'électrons dans un accélérateur ressemble à une volée d'oiseaux : il vole en groupe serré, mais avec le temps, il se disperse. Pour maintenir les particules ensemble, on installe généralement de lourds aimants. Ici, on s'en est passé : le faisceau s'est comprimé tout seul.

Une onde de choc dans la couronne solaire ressemble à un bang supersonique d'avion, mais au lieu de l'air, c'est du plasma surchauffé, et au lieu du son, c'est un saut de densité et de champ magnétique. Le 10 mars 2024, une telle onde a traversé la partie ouest du disque solaire.

Un laser puissant frappe une minuscule cible, qui se transforme instantanément en un nuage de gaz surchauffé, du plasma. Dans ce nuage naissent spontanément des champs magnétiques. Comme des mains invisibles, ils empêchent la chaleur de s'échapper librement du centre brûlant.

Un sursaut gamma, c'est comme un coup de canon cosmique : un éclair bref mais éblouissant qui, pendant quelques secondes, éclipse une galaxie entière.

Des physiciens ont piégé un nuage d'atomes de lithium entre deux miroirs. La lumière rebondit à l'intérieur, comme dans une chambre d'écho, forçant les atomes à émettre de manière synchrone — on obtient de la superradiance, semblable à un chœur où les voix se fondent en un seul grondement.

Lorsqu'une étoile massive meurt et explose, elle émet non seulement de la lumière, mais aussi des particules légères invisibles. Elles se dispersent dans toutes les directions à une vitesse proche de celle de la lumière. Seule une petite partie atteint la Terre, mais chaque explosion produit son propre paquet.

Dans la forge, un soufflet d'air attise la braise, et les ondes de choc soufflent des bulles de gaz incandescent. Au centre des galaxies, un processus similaire est mené par un trou noir supermassif. Ses jets de plasma étroits, tels des soufflets de forgeron, percent l'espace environnant et créent des bulles visibles en rayons X.

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.

En 1961, Stanislas Ulam a proposé un modèle simple : une particule rebondit entre un mur fixe et un mur qui oscille selon une loi linéaire par morceaux. On pourrait croire à un billard comme un autre. Mais derrière cette simplicité se cachait une question qui a tourmenté les physiciens pendant des décennies : la particule peut-elle accélérer jusqu'à l'infini ? La réponse est paradoxale.