sources de neutrinos

La forêt nocturne est pleine de lucioles, mais auparavant nous ne voyions que celles qui se trouvaient par hasard dans le faisceau d'une lampe de poche. C'était le cas des sources de rayons X ultra-lumineuses, des points dans d'autres galaxies qui brillent en rayons X plus intensément que ce qu'un trou noir de masse stellaire peut émettre de manière stable.

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Lorsqu'une étoile plusieurs fois plus massive que le Soleil meurt, elle se contracte puis explose en supernova. Ce n'est pas seulement un éclair de lumière : tout le processus, de l'effondrement du noyau à l'expansion de l'enveloppe, génère des frémissements de l'espace lui-même.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent de gigantesques trous noirs. Ils sont entourés d’un épais nuage de plasma incandescent qui émet un puissant rayonnement X.

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.

Erwin Schrödinger se demandait comment la vie maintient l'ordre malgré le deuxième principe de la thermodynamique. Il ne pouvait imaginer qu'une partie de la réponse se cachait dans l'instabilité des étoiles géantes.

La collision de deux étoiles à neutrons est une forge cosmique où se créent en quelques secondes les éléments les plus lourds du tableau périodique. En 2017, les détecteurs ont capté les ondes gravitationnelles d'une telle fusion, et les télescopes ont observé une lueur — une kilonova.

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.

En avril 2021, dans une galaxie située à 35 mégaparsecs, une supernova SN 2021foa a explosé. Elle a immédiatement intrigué les astronomes : son spectre passait frénétiquement des raies de l'hydrogène à celles de l'hélium — comme si l'étoile, à l'agonie, se débarrassait convulsivement de ses couches externes.

De minuscules balles invisibles traversent le Soleil de part en part, sans presque remarquer sa matière. Ce sont les axions — des particules hypothétiques si légères et insaisissables qu'on les compare à des fantômes.

Une boule duveteuse de toile invisible enveloppe un trou noir. Cette toile, c'est la matière noire, qui n'émet pas de lumière mais dont le poids guide le mouvement des étoiles aux confins des galaxies.

Un interprète qui, à mi-chemin de la salle, se met soudain à traduire à l'envers. C'est à peu près ce qui pourrait arriver à un neutrino — cette particule fantôme qui ignore presque la matière — si son chemin croise un nuage de matière noire ultralégère.

La croûte d'une étoile à neutrons n'est pas une simple enveloppe solide. Sous un poids de milliards de tonnes par centimètre carré, les atomes perdent leurs électrons, et les noyaux restants s'organisent en un réseau cristallin rigide, semblable à un nid d'abeilles, mais fait d'une matière un trillion de fois plus dense que l'acier.

Un interprète est distrait par le moindre bruit dans la salle, et une réunion d'une heure s'étire sur deux. C'est à peu près ce que font les gluons, les particules qui transmettent l'interaction forte à l'intérieur des protons. D'habitude, ils filent dans tous les sens, maintenant les quarks ensemble.

Au centre de nombreuses galaxies se trouve un trou noir supermassif. Lorsque du gaz tombe dessus, il s'échauffe et brille plus intensément qu'une galaxie entière — c'est un noyau actif. Parfois, un véritable ouragan s'en échappe : un flux de gaz ionisé qui file à des vitesses de plusieurs dizaines de pour cent de la vitesse de la lumière.

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.

Le radiotélescope ASKAP, en Australie, a décelé dans le ciel de l'hémisphère sud un anneau lumineux très ténu — comme une bulle de savon de la taille de plusieurs Lunes. À l'intérieur de l'anneau, exactement au centre, scintille un petit point. En général, une telle image signifie une seule chose : une étoile a explosé ici, laissant une coquille en expansion et, au milieu, un noyau effondré.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé à la taille d'une ville. À sa surface, un incendie thermonucléaire peut parfois se déclencher : le gaz accumulé explose comme une bombe à hydrogène géante. Après l'éruption, il reste des cendres — un mélange d'éléments lourds qui remonte à la surface et forme une atmosphère brûlante.

Au plus profond des Apennins, dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, quelque chose tressaille imperceptiblement tous les quelques jours.

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 ».

Un entonnoir géant dans l'espace aspire le gaz environnant. Une partie de ce gaz ne tombe pas à l'intérieur, mais est rejetée vers l'extérieur — comme des éclaboussures d'eau bouillonnante.

Le nitrure de bore hexagonal en couche mince est un cousin du graphite, mais transparent et isolant. Dans son réseau cristallin, on rencontre parfois des défauts isolés : un atome de bore ou d'azote manque, et à sa place se forme un piège à électrons. Ce piège peut absorber la lumière et la réémettre, comme une minuscule lampe de poche.

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.

Lorsqu'une étoile à neutrons émet un sursaut de rayons X, son atmosphère s'échauffe à des millions de degrés. La lumière que nous captons avec nos télescopes traverse cette couche de gaz dense — et en chemin, elle est fortement modifiée. Le spectre n'est plus celui d'un four idéal : certaines couleurs s'intensifient, d'autres s'éteignent.

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.

Allumer un soleil miniature est un vieux rêve de l'humanité. En général, les scientifiques tentent de confiner un plasma brûlant (un gaz de particules chargées) à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés.

La nuit, des balles invisibles traversent le ciel : les rayons cosmiques. Ce sont des noyaux atomiques propulsés à des vitesses proches de celle de la lumière. Les champs magnétiques de la Galalie brouillent leurs trajectoires, rendant difficile l'identification de leur lieu de naissance.

Un télescope à rayons X observe une galaxie voisine et aperçoit un point qui n'était pas là la veille. Un mois plus tard, il s'embrase avec une luminosité des centaines de fois supérieure à celle du Soleil, puis, un an après, il s'éteint à nouveau.

La matière noire est l'armature invisible de l'Univers. Elle n'émet pas de lumière, mais son attraction empêche les galaxies de se disperser. Nouvelle hypothèse : la matière noire serait composée de photons sombres — des particules fantomatiques qui, dans des conditions normales, sont invisibles.

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.

La matière visible n'est qu'une goutte dans l'océan du bouillon cosmique. L'essentiel de l'univers est constitué de matière noire invisible, dont la gravité empêche les galaxies de s'éparpiller. Le meilleur candidat pour ce rôle est le neutrino stérile, une particule fantôme qui n'est reliée à nous que par un pont ténu.

Des atomes ultra-froids peuvent se comporter comme un tout. Si un neutrino naît dans un tel nuage, il s'éclipse généralement sans laisser de trace.

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.

Chaque jour, des particules d'énergie colossale frappent l'atmosphère terrestre, comme des lettres sans signature. Leur origine est longtemps restée une énigme.