Phénomènes astrophysiques de haute énergie astro-ph.HE

Dans le flux des rayons cosmiques — ces particules qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie — le titane est rare. Ses noyaux sont presque impossibles à distinguer de ceux du fer : tous deux sont lourds, tous deux laissent des traces similaires dans les détecteurs.

Très haut au-dessus de la calotte glaciaire de l'Antarctique, un ballon muni d'un détecteur est resté suspendu pendant vingt jours. Il captait de minuscules particules qui, depuis des millions d'années, voyagent jusqu'à nous après de lointaines explosions stellaires.

Au-dessus de l'Antarctique, un ballon-sonde a hissé un instrument qui captait les électrons venus de l'espace. Ces particules proviennent d'explosions d'étoiles lointaines et d'autres événements puissants. L'instrument mesurait leur énergie, comme la force d'un impact. Et voilà que dans une certaine gamme d'énergies, il y a eu plus d'impacts que ce que les calculs prévoyaient.

Dans le havre tranquille de la bulle locale — une cavité de gaz chaud et raréfié autour du Soleil — une explosion a récemment retenti. Une supernova a brillé à quelques dizaines de parsecs de nous, et son écho résonne encore dans les environs, modifiant le paysage des rayons cosmiques.

Le ballon ATIC s'est élevé au-dessus de l'Antarctique et a capté des particules plus anciennes que la Terre elle-même. Parmi elles, des noyaux atomiques du soufre au chrome, et plus leur énergie est élevée, plus leur proportion par rapport au fer augmente.

Dans le flux de particules chargées qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie, le fer s'est révélé être le mouton noir. L'instrument ATIC-2, hissé à bord d'un ballon au-dessus de l'Antarctique, a comparé comment la proportion de noyaux allant du soufre au chrome varie avec l'énergie par rapport au fer.

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.

Très haut au-dessus de la Terre, un satellite évolue, et à son bord se trouve un instrument de la taille d'une petite armoire. Il capture des particules qui ont traversé la galaxie pendant des milliards d'années avant de venir percuter le détecteur.

Tels des coureurs sur une longue distance, les noyaux atomiques — du léger hélium au lourd fer — foncent vers nous à travers la Galaxie. À l'arrivée, dans le détecteur du ballon stratosphérique, on voit que les noyaux lourds arrivent un peu plus épuisés que les légers.

Les rayons cosmiques sont des particules chargées qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie. Si l'on trace un graphique du nombre de particules en fonction de leur énergie, la courbe est régulière, puis chute soudainement. Ces ruptures sont appelées « genoux ».

La nuit, au-dessus de la taïga sibérienne, une faible lueur bleue scintille parfois. Ce n'est pas une aurore boréale, mais une pluie cosmique : une particule venue du fin fond de l'espace percute l'atmosphère et se fragmente en des millions de particules secondaires. Elles foncent vers le sol en un front large, comme une onde provoquée par une pierre jetée dans l'eau, et font briller l'air.

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière. Ils arrivent sur Terre de toutes les directions, et leur composition nous renseigne sur ce qui se passe dans les recoins lointains de la Galaxie.

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.

Au nord du microquasar SS 433, dans le domaine des rayons X mous, un arc est apparu. Faible, diffus, mais épousant obstinément des contours déjà connus par les observations radio. Les astronomes ont étudié son spectre et ont vu un gaz chauffé à onze millions de kelvins. Un gaz qui n'a pu être chauffé ni par les jets, ni par le vent du disque d'accrétion.

Un ver luisant scintille pendant un dix-milliardième de seconde quelque part au-dessus de la taïga sibérienne. Impossible à voir à l'œil nu, mais l'installation TAIGA-HiSCORE, disséminée dans la vallée du district de Tounka en Bouriatie, a tenté de capturer exactement ce genre d'éclairs — non pas d'insectes, mais des profondeurs du cosmos.

À 8,58 mégaparsecs de nous, la galaxie spirale M51 enroule ses bras, tandis que le radiotélescope VLA, dans sa configuration la plus étendue, l'observe avec une résolution de 0,16×0,14 seconde d'arc. C'est comme si, depuis la Terre, on distinguait une pièce de monnaie à la surface de la Lune.

Nuit du 4 mars 2024. Le radiotélescope MeerKAT, en Afrique du Sud, capte une impulsion d'une milliseconde : un sursaut radio rapide venu de 17.4 gigaparsecs de profondeur. C'est une lumière qui a mis 10.5 milliards d'années pour atteindre la Terre.

Au centre du rémanent de la supernova SN 1987A, à 168 000 années-lumière de la Terre, se cache un objet que les astronomes cherchent depuis 37 ans. C'est la supernova la plus proche qui ait explosé sous les yeux des télescopes modernes, et la seule dont le rémanent compact n'a toujours pas pu être observé directement.

Le radiotélescope capte un signal durant quelques millisecondes, et en cet instant, une énergie comparable à celle que le Soleil émet en plusieurs jours est libérée. C'est un sursaut radio rapide, une impulsion radio milliseconde provenant d'une galaxie lointaine. Depuis sa découverte en 2007, les astrophysiciens débattent de son origine.

En 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont capté des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons. Une kilonova a alors jailli : une explosion cosmique brillante dans laquelle, pensait-on, naissent les éléments les plus lourds du tableau périodique.

Le 9 octobre 2022, l'espace a offert un spectacle que les astronomes n'avaient jamais vu de toute l'histoire des observations. Le sursaut gamma GRB 221009A, l'explosion cosmique la plus puissante produisant un éclair de rayons gamma, a ébloui les détecteurs en orbite et sur Terre.

En avril 2023, les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont capté une onde gravitationnelle provenant de la fusion de deux trous noirs. Avec des masses de 137 et 103 masses solaires, l'événement GW231123 est le plus massif jamais observé.

Dans les laboratoires terrestres, on obtient un condensat de Bose-Einstein en refroidissant un nuage d'atomes à des milliardièmes de kelvin. Les atomes perdent leur individualité et se fondent en une seule onde quantique qui se comporte comme un tout.

Le 23 novembre 2023, les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont capté une onde gravitationnelle provenant de la fusion de deux trous noirs de masses 137 et 103 masses solaires.

Le télescope Event Horizon observe M87* et ne voit pas seulement un anneau de lumière autour d'un vide sombre. Cette lumière est tordue comme un tire-bouchon. Le front d'onde porte une structure hélicoïdale que les physiciens appellent moment angulaire orbital.

La croûte d'un magnétar se fissure en quelques millisecondes. Un déplacement en profondeur engendre des ondes sismiques qui courent à la surface et secouent le champ magnétique.

En relativité générale, le trou noir a longtemps été considéré comme un miroir parfait : quels que soient les champs qui tombent dessus, il ne se déforme pas.

Un vent soufflant à contre-rotation de la planète attise la forge de carbone. Voilà à quoi ressemble l'atmosphère de l'objet PSR J2322-2650b, un compagnon de type jovien d'un pulsar milliseconde.

Dans une salle d'audience, on n'a pas toujours d'enregistrement vidéo du crime. Parfois, le verdict repose sur des témoignages : ce qui s'est passé avant, ce qui est advenu après. C'est exactement ce que les physiciens ont fait avec le signal GW250114, détecté le 14 janvier 2025.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre dans une danse serrée, et autour d'eux naît quelque chose d'étonnant : une molécule gravitationnelle. Un nuage de bosons ultra-légers, des particules de masse inférieure à l'électron-volt, enveloppe la paire comme le nuage électronique dans l'ion H2+.

À environ 25 000 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Sagittaire, un voile dense est enroulé autour de l'étoile à neutrons GX 13+1. Il diffuse les photons de rayons X comme un brouillard diffuse la lumière d'un réverbère, et il a longtemps caché aux astronomes la puissance réelle de la source.

Le 9 octobre 2022, les détecteurs terrestres ont enregistré un sursaut gamma d'une puissance inédite. GRB 221009A était si brillant que son rayonnement a ionisé les couches supérieures de l'ionosphère, et les instruments satellitaires ont été temporairement aveuglés.

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.

Le sursaut gamma 230307A a illuminé le ciel comme un coup de tonnerre : en quelques secondes, il a libéré plus d'énergie que le Soleil n'en émettra en des milliards d'années. Trois détecteurs, GECAM-B, GECAM-C et Fermi/GBM, regardaient au bon endroit à ce moment-là.

Au cœur de la lointaine galaxie SDSS J1335+0728, à 2,5 milliards d'années-lumière de la Terre, un trou noir supermassif bat la mesure. Tous les quelques jours, il émet des sursauts de rayons X, tel un métronome cosmique, mais en 2025, ce métronome a soudainement changé de tempo, passant de l'allegro à l'andante.

En 2017, les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont capté une ondulation de l'espace-temps provenant de la fusion de deux trous noirs à 540 mégaparsecs de nous. L'événement a été nommé GW170814.

La collision de deux étoiles à neutrons est un choc qui s'entend dans tout l'Univers. Les détecteurs d'ondes gravitationnelles captent les ondulations de l'espace-temps, mais le son le plus intéressant commence après l'impact : le résidu de la fusion, une étoile à neutrons hypermassive en rotation rapide, continue de vibrer…

En 1936, deux physiciens, Werner Heisenberg et Hans Euler, en travaillant sur les équations de l'électrodynamique quantique, découvrirent quelque chose d'étrange. Dans un champ magnétique suffisamment intense, le vide devrait cesser d'être vide.

Un trou noir n'est pas seulement une poubelle cosmique, c'est plutôt un coffre-fort à code secret. Pendant des décennies, on a pensé que tout signal envoyé vers l'horizon des événements était partiellement réfléchi : l'espace-temps courbe agit comme un miroir déformant, et une partie de l'énergie repart toujours en arrière.

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.