26 Avril 2019  |  Astrophysique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 02/2019

Le chaos ordonné des trous noirs

Des chercheurs de l’Université de Genève ont découvert que les photons expulsés lors de la création d’un trou noir paraissent désordonnés, alors qu’ils sont en fait organisés en fonction de leur tranche temporelle.

Lorsqu’un trou noir se crée, il émet, pendant un bref instant, une gigantesque bouffée de lumière très énergétique sous forme de rayons gamma, nommée sursaut gamma. Ce phénomène comprend tous les plus grands mystères de la physique actuelle, tels que les ondes gravitationnelles, la relativité générale, la température et l’accélération de particules beaucoup plus énergétiques que celles du LHC, au CERN.
Pour tenter de résoudre certains de ces mystères, des chercheurs de l’Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l’Institut Paul Scherrer (PSI) de Villigen, l’Institut de physique des hautes énergies de Pékin et le Centre national de recherche nucléaire de Swierk, en Pologne, ont construit l’instrument POLAR, envoyé en 2016 sur le laboratoire spatial chinois Tiangong-2, afin d’analyser les sursauts gamma.
Contrairement aux théories développées, les premiers résultats du détecteur POLAR révèlent que les sursauts gamma ne sont ni complètement chaotiques, ni complètement organisés, mais les deux à la fois. Dans chaque tranche temporelle, les photons oscillent dans une même direction, mais la direction d’oscillation change avec le temps, créant un ensemble chaotique. Ces résultats, parus dans la revue Nature Astronomy, ouvrent de nouvelles perspectives dans la recherche et les théories des sursauts gamma.
 
L’expérience POLAR sur le laboratoire spatial chinois TiangGong-2, lancé le 15 septembre 2016. La lumière verte incandescente imite la lumière scintillante lorsqu’un photon gamma frappe l’une des 1600 barres de scintillation spécialement conçues. Cette vue d’artiste est basée sur une photo prise par une caméra située à plusieurs mètres derrière POLAR. (Photo: Xin Wu)
 
 
Une gigantesque bouffée de rayons gamma
Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision ou qu’une étoile super massive s’effondre sur elle-même, un trou noir se crée. Cette naissance est caractérisée par une gigantesque bouffée de rayons gamma – de la lumière très énergétique –, nommée sursaut gamma. Sur Terre, seule la radioactivité peut émettre de tels rayons.
 
Les précurseurs de trous noirs sont-ils organisés ou chaotiques?
Encore très mystérieux, ce phénomène physique oppose deux écoles. La première considère que les photons qui constituent le sursaut gamma sont polarisés, qu’ils oscillent dans une même direction, soit verticale, soit horizontale. Si tel était le cas, la source des photons fournirait une direction privilégiée grâce à un champ magnétique et offrirait aux astronomes la possibilité de définir la géométrie et la taille du lieu de naissance du trou noir.
La seconde école, au contraire, suggère que le précurseur du trou noir est chaotique et que les photons ne sont pas polarisés, oscillant dans n’importe quelle direction. Mais comment vérifier cela?
 
Le détecteur POLAR subissant les derniers tests avant le vol. (Photo: Nicolas Produit)
 
 
Mesurer la polarisation des sursauts gamma
«Notre collaboration internationale a construit et envoyé dans l’espace le premier détecteur d’astroparticules POLAR, assez puissant pour mesurer la polarisation des sursauts gamma et tenter d’en découvrir la source», explique Xin Wu, professeur au Département de physique des particules de la Faculté des sciences de l’UNIGE. Son système de fonctionnement est simple. Il s’agit d’un carré de 50 x 50 cmconstitué de 1600 barres de scintillateur, qui permet de faire entrer en collision des photons avec des atomes. Lorsqu’un photon percute une barre en entrant dans le détecteur POLAR, il expulse un deuxième photon qui provoque une autre collision visible. «Si les photons sont polarisés, nous observons une conformité de direction entre les deux impacts de photons. Au contraire, s’il n’y a pas de polarisation, le second photon issu de la première collision partira dans n’importe quelle direction, de manière totalement aléatoire», déclare Nicolas Produit, chercheur au département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE.
 
De l’ordre dans le chaos
En six mois, l’instrument POLAR a détecté 55 sursauts gamma et les scientifiques ont analysé les oscillations de plusieurs milliers de photons provenant des cinq sursauts les plus brillants. Et les résultats sont pour le moins surprenants. «Lorsqu’on analyse la polarisation d’un sursaut gamma dans son ensemble, nous constatons une polarisation très faible, ce qui favorise certaines théories», explique Merlin Kole, chercheur au Département de physique des particules de la Faculté des sciences de l’UNIGE.
Face à ce premier résultat, les scientifiques se sont penchés plus en détail sur un sursaut gamma très puissant et l’ont découpé en tranches temporelles de deux secondes. «Et là, on découvre avec surprise, qu’au contraire, les photons sont très polarisés dans chaque tranche, mais que chaque tranche oscille dans une direction différente!», s’enthousiasme Xin Wu. D’où une vision globale du sursaut gamma très chaotique et peu polarisée. «Ceci démontre que dans le processus de création d’un trou noir, il y a des phases successives qui font évoluer la direction de polarisation dans différentes positions, mais nous ne savons pas encore pourquoi», poursuit Merlin Kole.
Ces premiers résultats confrontent les théoriciens à de nouveaux éléments, qu’ils devront intégrer dans leurs projections, partiellement remises en causes. «Nous voulons également construire un POLAR-2, plus grand et plus précis, afin de pouvoir encore creuser dans cette organisation chaotique des trous noirs, pour enfin découvrir leur source et éclaircir les mystères de cette physique très énergétique», conclut Nicolas Produit.
 
Prof. Xin Wu
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Faculté des sciences UNIIGE
Tél. 022 379 62 72
Xin.Wu@unige.ch
 
Nicolas Produit
Département d’astronomie
Faculté des sciences UNIGE
Tél. 022 379 21 40
Nicolas.Produit@unige.ch
 
Merlin Kole
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Faculté des sciences UNIGE
Tél. 022 379 61 50
Merlin.Kole@unige.ch
 


29 Avril 2016  |  Astrophysique

Les ondes gravitationnelles: une nouvelle porte ouverte sur l’Univers

Si la relativité restreinte, énoncée en 1905 et la relativité générale, formulée dix ans plus tard, font partie des avancées scientifiques majeures du siècle dernier, la détection des ondes gravitationnelles, tout comme la découverte du boson de Higgs, marqueront assurément de leur empreinte l’histoire des sciences du XXIe siècle. Cent ans après la théorie de la relativité générale énoncée par Einstein, une de ses prédictions majeures vient d’être vérifiée; elle donne naissance à l’astronomie gravitationnelle.
17 Octobre 2018  |  Astrophysique

Un neutrino révèle l’origine des rayons cosmiques

Une équipe internationale réunissant plus de 300 scientifiques venus de 49 institutions dans douze pays, dont des chercheurs de l’UNIGE, a identifié une source de neutrinos de haute énergie, des particules fantômes qui voyagent sans entrave sur des milliards d’années-lumière. Cette découverte majeure, qui lève le voile sur le mystère des rayons cosmiques, fait l’objet de deux articles publiés dans la revue Science.
POLYMEDIA SA | Av. de Riond-Bosson 12 | CH-1110 Morges | T: +41 (0)21 802 24 42 | F: +41 (0)21 802 24 45 | info@polymedia.ch