télescope Fermi

Une balise au bord de la galaxie clignote sans horaire : tantôt elle se tait pendant des années, tantôt elle émet des centaines d'éruptions en une seule journée. Une telle balise exige un veilleur qui ne dort jamais et ne se laisse pas distraire.

Les rayons gamma sont la lumière la plus énergétique de l'Univers. Mais une partie d'entre eux, d'énergie intermédiaire, est restée longtemps invisible : les instruments ne pouvaient pas les détecter, laissant un vide dans le ciel. Les scientifiques l'appellent le « vide du MeV », d'après l'unité d'énergie que portent ces rayons.

Un immense stade rempli de personnes vêtues de noir. Vous êtes à l'extérieur et tentez de deviner ce qui se passe à l'intérieur, sans voir personne. Mais si deux personnes se heurtent et échangent des maillots fluorescents, vous remarquerez un éclair de couleur.

L'Univers ressemble à une immense charpente invisible. Nous ne la voyons pas directement, mais nous savons qu'elle existe : c'est grâce à elle que les galaxies et les amas tiennent ensemble. Cette charpente, c'est la matière noire. La version la plus populaire dit qu'elle est « froide » et qu'elle est constituée de particules lourdes et lentes.

Au plus profond de la glace du pôle Sud, à près de deux kilomètres et demi sous la surface, un télescope pas comme les autres est en activité. Il n'est pas pointé vers le ciel, mais à travers la Terre. Sa proie : les neutrinos, ces particules quasi insaisissables qui traversent les planètes et les étoiles de part en part sans interagir avec rien.

Huit points brillants dans le ciel radio. C'est le même quasar HS 0810+2554, dont la lumière a traversé une lentille gravitationnelle — une galaxie massive au premier plan.

Le ciel gamma, immortalisé par le télescope Fermi, est une symphonie grandiose de milliers de sources. On y trouve les pulsations rythmiques des pulsars, les accords puissants des noyaux actifs de galaxie, mais surtout des objets non identifiés dont la partition reste une énigme.

Il y a un demi-siècle, Fritz Zwicky remarquait que la matière visible dans les amas de galaxies était dramatiquement insuffisante pour expliquer la gravitation.

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.

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.

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.

L'Univers est un immense orchestre interprétant la partition de l'expansion. Les galaxies s'éloignent au rythme d'une musique inaudible : l'énergie noire.

Les ondes gravitationnelles sont des oscillations de la trame même de l'espace-temps, semblables aux vibrations d'une corde cosmique géante.

Au cœur même de la Voie lactée, quelque chose brille — mais pas d'une lumière stellaire, plutôt de rayons gamma invisibles à l'œil.

La théorie de la gravité d'Einstein explique comment la masse courbe l'espace et le temps. Sa validité a été testée près de la Terre, mais les tests les plus extrêmes sont possibles à proximité des trous noirs, où les distorsions atteignent leur paroxysme.

Le sursaut gamma GRB 221009A a brillé si intensément qu'on l'a surnommé « le plus brillant de tous les temps ». L'observatoire LHAASO a capté de lui des photons gamma d'une énergie allant jusqu'à 13 TeV — soit des milliers de fois plus que l'énergie des particules dans un appareil de radiographie.

Le télescope Fermi a enregistré pendant 17 ans le rayonnement gamma des noyaux actifs de galaxies abritant des trous noirs géants en leur centre. La lueur de leurs jets évoque une cacophonie chaotique : elle varie sans cesse.

Des lucioles scintillent dans une forêt sombre — on voit chaque éclair, mais pas le vol. Le microscope à gaz quantique sait montrer des atomes froids individuels, comme ces lucioles. Mais jusqu'à présent, il ne pouvait pas dire à quelle vitesse ils se déplacent. Désormais, des scientifiques ont trouvé un moyen d'y remédier.

La matière noire est cette substance invisible qui empêche les galaxies de s'éparpiller. Si ses particules se désintègrent parfois près du Soleil, elles éjectent des flux de particules rapides – comme des marteaux invisibles qui frappent la lumière.

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 ».

La lumière d'un laser, c'est comme une rangée parfaitement alignée de soldats lors d'une parade : toutes les ondes oscillent dans un même plan. On dit d'une telle lumière qu'elle est polarisée.

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.

En octobre 2022, le cosmos a offert un feu d'artifice remarqué par tous les détecteurs sur Terre. L'explosion, baptisée GRB 221009A, était si brillante qu'on l'a surnommée « la plus brillante de l'histoire des observations ».

Vingt-huit secondes – c'est le temps qu'il a fallu à une caméra automatique pour se pointer vers une lueur dans une constellation dont la lumière a mis plus de neuf milliards d'années à nous parvenir.

Les rayons gamma sont les éclairs de lumière les plus énergétiques qui naissent au cœur des atomes. Leur énergie est comme une empreinte digitale : chaque élément radioactif a son propre motif. Mais mesurer ce motif avec une grande précision, c'est comme peser un grain de sable sur une balance posée sur un camion qui vibre.

La matière noire est comme une colle invisible qui maintient les galaxies ensemble. Elle n'émet pas de lumière, mais si ses particules entrent en collision, un éclair de rayonnement gamma peut se produire.

Un pompier muni d'une caméra thermique voit le foyer d'un incendie à travers la fumée. Mais comment voir une source de radiation qui ne sent rien, ne brille pas et ne chauffe pas ? Les caméras gamma résolvent ce problème : elles captent les rayons gamma émis par les substances radioactives et superposent leur « trace » sur une photographie ordinaire.

Dans un accélérateur de particules, les électrons filent en cercle à une vitesse proche de celle de la lumière. Quand un tel électron entre en collision avec un photon — une particule de lumière —, le photon rebondit comme une balle contre un camion lancé à toute allure et repart avec une énergie bien plus grande.

En octobre 2022, le détecteur spatial GECAM-C a enregistré le sursaut gamma le plus puissant jamais vu, GRB 221009A — une explosion qui est devenue, pendant un court instant, la source de rayons gamma la plus brillante du ciel.

Il y a 7 milliards d'années, un trou noir au centre d'une galaxie a produit une éruption de rayons gamma, le rayonnement le plus énergétique qui soit, d'une puissance incroyable. Sa lumière, après avoir traversé les abysses cosmiques, a atteint les télescopes MAGIC en décembre 2017.

La lumière des galaxies lointaines, en traversant les amas de matière, se déforme — tout comme le fond d'une piscine se brise sous la ondulation de l'eau. Les astronomes mesurent ces infimes courbures de forme et obtiennent une carte de la « ondulation » gravitationnelle.

Jetez des cailloux le long d'une rangée serrée de poteaux : ils ricochent en un jet dense. Jetez-les en biais, et ils se dispersent. Les rayons gamma dans un cristal font de même : ils engendrent des cascades de particules qui s'étalent à moins que les rangées atomiques du cristal ne soient parfaitement alignées. Alignez-les à un cheveu près, et la cascade se resserre en un faisceau étroit.

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.

Au cœur de la Voie lactée, une immense chaudière stellaire est en ébullition. Des étoiles massives y naissent et y meurent : chaque mort est une explosion de supernova qui projette dans l'espace des nuages de particules chargées.

Pendant sept heures d'affilée, le télescope spatial gamma a enregistré des éruptions qui ne voulaient pas s'arrêter. C'est ainsi qu'a commencé l'histoire de GRB 250702B, le sursaut gamma le plus long jamais observé. Les sursauts typiques durent quelques secondes, rarement quelques minutes.

Chaque seconde, des dizaines de particules venues de l'espace traversent chacun de nous. La plupart sont des protons légers, mais on trouve aussi des noyaux atomiques plus lourds : carbone, oxygène, fer. Ils naissent dans les explosions d'étoiles et voyagent vers la Terre pendant des millions d'années.