neutrino de haute énergie

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

Une particule d'énergie $$10^{18}$$ eV frappe l'atmosphère terrestre, c'est comme si une balle de tennis lancée à 200 km/h heurtait un mur. D'où viennent de tels projectiles, les astrophysiciens en débattent depuis des décennies.

Le pulsar PSR J1740+1000 est une étoile de la taille d'une ville qui tourne plus vite qu'un mixeur de cuisine. Après l'explosion d'une supernova, il en reste un noyau dense qui accélère des particules à des vitesses proches de celle de la lumière.

Dans la lointaine galaxie du Cigare, il existe un phare singulier. Il n'émet pas de lumière au sens habituel – ses rayons naissent dans un nuage surchauffé autour d'un trou noir qui dévore la matière d'une étoile voisine. De tels objets sont appelés sources de rayons X ultralumineuses. Leur éclat en rayons X est si intense qu'il éclipse des galaxies entières.

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.

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.

Quand deux étoiles à neutrons — les noyaux ultra-denses d'étoiles mortes — entrent en collision, une kilonova naît : une explosion mille fois plus brillante qu'une nova classique. C'est un véritable creuset cosmique.

En 2017, le télescope à neutrinos antarctique IceCube a enregistré une particule d'environ 290 TeV provenant des profondeurs du cosmos.

Au cœur de la Galaxie, à environ 7 000 parsecs, se cache un véritable accélérateur naturel. C'est une étoile à neutrons en rotation effrénée — un pulsar nommé PSR J1849-0001, vestige d'une explosion de supernova.

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.

Deux étoiles à neutrons — des vestiges d'astres morts, comprimés à la taille d'une ville mais pesant autant qu'un Soleil entier — tournent l'une autour de l'autre et finissent par entrer en collision. À cet instant naît un objet à mi-chemin entre un trou noir et un aimant surpuissant : un champ des milliards de fois plus intense que celui du plus puissant IRM.

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.

Les neutrinos sont des particules presque insaisissables : ils traversent les planètes sans même remarquer les atomes. Chaque capture est donc un coup de chance.

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.

Les étoiles massives terminent leur vie par une explosion colossale que Fritz Zwicky a appelée supernova. Le cœur s'effondre alors en trou noir ou en étoile à neutrons.

Une collision à très grande vitesse a arraché un neutron du noyau d'hélium-8, et pendant un instant, un noyau d'hélium-7 est apparu — comme une étagère surchargée d'où trois livres tombent d'un coup.

Une impulsion laser frappe un cristal d'oxyde de cuivre, et des ondes d'excitation magnétique — les magnons — se propagent à travers lui comme des ronds dans l'eau.

Le ciel nocturne est plein de balises, mais certaines brillent d'une manière si particulière qu'on les remarque à peine. Les astronomes ont découvert une nouvelle classe d'objets : les sources de rayons X hypermolles.

Le neutron est la particule qui compose principalement les étoiles à neutrons. En lui-même, il est instable : un neutron libre vit environ quinze minutes, puis se désintègre en proton, électron et antineutrino.

Au centre de la galaxie NGC 4278 se trouve un trou noir qui éjecte deux jets de plasma — comme un canon géant tirant des particules dans l'espace. Ces jets accélèrent des particules à des énergies que nul accélérateur terrestre n'a jamais égalées.

Dans le système binaire Cyg X-2, l'étoile à neutrons attire la matière d'une étoile compagne ordinaire. Le gaz qui tombe s'enroule, s'échauffe à des millions de degrés et brille intensément en rayons X.

Les neutrinos cosmiques sont des particules fantômes qui traversent la Terre sans encombre. Le télescope IceCube, enfoui dans les glaces de l'Antarctique, a un jour capté un tel neutrino, et il coïncidait avec une éruption infrarouge.

Une nouvelle étude le confirme : les ondes de choc dans le plasma autour des trous noirs supermassifs au centre des galaxies agissent comme des vagues océaniques qui propulsent les protons à des vitesses proches de celle de la lumière. Même une vague faible leur cède un dixième de son énergie — comme une petite houle qui enverrait un surfeur dans l'espace.

Au cœur des étoiles, des noyaux légers fusionnent, donnant naissance à de l'hélium et à des flux de neutrons. Sur Terre, ce processus est reproduit en combinant du deutérium et du tritium, des isotopes particuliers de l'hydrogène.

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 1181, les astronomes chinois et japonais ont consigné l'apparition d'une « étoile invitée », un astre brillant qui a brillé pendant six mois dans la constellation de Cassiopée avant de disparaître. Aujourd'hui, à cet endroit se trouve Pa 30, une nébuleuse avec une source centrale chaude qui éjecte de la matière à une vitesse de 16 000 km/s.