accélération de particules

La lueur bleue dans l'eau autour d'un réacteur nucléaire est une lumière qui naît lorsqu'une particule chargée dépasse la lumière dans ce milieu. L'effet a été découvert par Pavel Tcherenkov en 1934, et la théorie a été donnée par Igor Tamm et Ilia Frank.

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.

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.

Le ciel nocturne semble paisible, mais en réalité, des particules invisibles — les rayons cosmiques — nous traversent en permanence. Parmi elles, on trouve des électrons et leurs antiparticules, les positrons.

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.

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.

Les sursauts radio rapides (sursaut radio rapide) – des balises mystérieuses de l'Univers, émettant en quelques millisecondes une énergie comparable à celle du Soleil en un siècle.

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.

Un surfeur glisse sur la surface de l'océan jusqu'à ce qu'une grosse vague arrive – et le voilà projeté vers l'avant. C'est à peu près ainsi qu'un électron libre interagit avec la lumière : en général, l'échange d'énergie est à peine perceptible, mais si le milieu environnant commence à osciller rythmiquement, chaque crête de vague pousse la particule de plus en plus fort.

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 ?

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.

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 ?

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.

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.

Près des trous noirs et des étoiles à neutrons, le plasma bouillonne comme l'eau dans une bouilloire. Mais dans cette « bouilloire », il n'y a pas de parois — seulement des champs magnétiques qui se tordent et se déchirent.

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 jet d'eau sortant d'un tuyau d'arrosage et frappant un mur s'étale sur les côtés. De la même manière se comportent les jets astrophysiques — d'étroits flux de plasma éjectés des environs des trous noirs ou des jeunes étoiles.

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.

Le plasma est un gaz dans lequel les électrons sont arrachés aux atomes, et il conduit l'électricité. Dans l'espace, ce gaz est souvent si dilué que les particules ne se heurtent presque jamais, et son comportement est décrit par les équations du mouvement de chaque particule.

Un blazar est une galaxie lointaine dont le centre émet un jet de plasma pointé presque directement vers nous. À l'intérieur de ce jet, les particules sont accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière et émettent un rayonnement puissant.

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.

Le spectre des électrons cosmiques, c'est comme des empreintes digitales sur une scène de crime. Les particules qui arrivent des profondeurs de la Galaxie portent dans leurs énergies les traces de ceux qui les ont engendrées.