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Le chaos ordonné des trous noirs

Représentation d'un trou noir dans l'espace.
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Le chaos ordonné des trous noir / CQFD / 9 min. / le 15 janvier 2019
La naissance d'un trou noir est l'un des grands mystères de la physique actuelle. Lorsqu'il se crée, il émet pendant un bref instant une gigantesque bouffée de lumière et d'énergie nommée un sursaut gamma. Un événement plus "ordonné" que les scientifiques le pensaient.

La création d'un trou noir, c'est un peu le Graal des physiciens. Il comprend tous les plus grands mystères de la physique contemporaine, "toutes les conditions les plus bizarres sont réunies au même moment," selon Nicolas Produit, collaborateur scientifique au département d'Astronomie de l'UNIGE, interviewé par CQFD: ondes gravitationnelles, relativité générale, température et accélération de particules beaucoup plus énergétiques que celle atteintes au CERN.

Les mystérieux sursauts de rayons gamma

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. [NASA/JPL-Caltech/GSFC]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. [NASA/JPL-Caltech/GSFC]Le trou noir peut provenir de la collision de deux étoiles à neutrons ou lorsqu'une étoile super massive s’effondre sur elle-même. Cette naissance est caractérisée par une gigantesque bouffée de rayons gamma – de la lumière très énergétique – nommée sursaut de rayons gamma (en anglais, "Gamma Ray Burst" ou GRB). Sur Terre, seule la radioactivité peut émettre de tels rayons: ils sont tellement puissants qu'ils sont visibles de partout dans l'Univers. "Tout l'or du monde est créé pendant les sursauts gamma courts," précise Nicolas Produit.

Pour la première fois, le phénomène du sursaut gamma a été très bien analysé par l'instrument POLAR (lire encadré): il a pu observer cinquante-cinq sursauts gamma depuis le laboratoire spatial chinois Tiangong-2.

Le degré de polarisation des rayons gamma

L’expérience POLAR sur le laboratoire spatial chinois TiangGong-2. La lumière verte incandescente imite la lumière scintillante lorsqu’un photon gamma frappe l’une des 1600 barres de scintillation spécialement conçues (vue d'artiste). [Xin Wu - UniGE]L’expérience POLAR sur le laboratoire spatial chinois TiangGong-2. La lumière verte incandescente imite la lumière scintillante lorsqu’un photon gamma frappe l’une des 1600 barres de scintillation spécialement conçues (vue d'artiste). [Xin Wu - UniGE]Pour bien comprendre ces éclairs lumineux, les chercheurs ont mesuré une de leurs propriétés bien particulières: leur degré de polarisation. La lumière se propage sous forme d'ondes lumineuses – les photons; le degré de polarisation indique quelle est la direction d'oscillation de ces ondes à partir de leur source (un photon peut vibrer de haut en bas ou de droite à gauche). Si elles vibrent parallèlement les unes aux autres, le degré de polarisation est haut. Si elles vibrent dans toutes les directions et se croisent, le degré de polarisation est bas.

Les résultats que les chercheurs publient à présent montrent que le degré de polarisation des sursauts gamma est relativement bas. Certaines de leurs observations indiquent par ailleurs qu'il se produit une modification de l'angle de polarisation – c'est-à-dire de l'orientation de cette faible polarisation – pendant la durée de chaque sursaut gamma.

Ni complètement chaotiques, ni complètement organisés

Contrairement aux théories développées, les premiers résultats de POLAR révèlent que les sursauts gamma ne sont ni complètement chaotiques, ni complètement organisés, mais un mélange des deux: dans chaque tranche temporelle de deux secondes, les photons oscillent dans une même direction, soit verticale, soit horizontale. Mais la direction d'oscillation change avec le temps, créant un ensemble chaotique.

"On découvre avec surprise que les photons sont très polarisés dans chaque tranche, mais que chaque tranche oscille dans une direction différente," s’enthousiasme Xin Wu, professeur au Département de physique des particules de la Faculté des sciences de l'UNIGE. D'où une vision globale du sursaut gamma très chaotique et peu polarisée.

Des phases successives

Les chercheurs en déduisent 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. Toutefois, les astrophysiciens doivent encore déterminer la raison de ce phénomène.

Ces résultats, à lire dans la revue Nature Astronomy, ouvrent un nouveau pan pour la recherche et les théories des sursauts gamma.

Adrien Zerbini/Stéphanie Jaquet

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POLAR

L'instrument POLAR analyse les sursauts gamma générés par la naissance d'un trou noir.

Il s'agit d'un carré de 50x50 cm2 constitué de 1600 barres de scintillateur (fabriquées dans un plastique spécial) qui permet de faire entrer en collision des photons avec des atomes. Lorsqu'un photon percute une barre en entrant dans POLAR, il expulse un deuxième photon qui provoque une autre collision visible. Si les photons sont polarisés, les chercheurs observent une conformité de direction entre les deux impacts de photons. S'il n'a pas de polarisation, le second photon issu de la première collision partira dans n’importe quelle direction de manière totalement aléatoire.

POLAR a été construit en Suisse par des chercheurs de l’Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l’Institut Paul Scherrer (PSI) de Villigen, l’Institut of High Energy Physics de Pékin et le Centre National de la recherche nucléaire de Swierk en Pologne.

L'instrument a été envoyé en 2016 sur le laboratoire spatial Chinois Tiangong-2.