Les scientifiques explorent comment gamma

Jun 13, 2023

Après la signature du Traité d'interdiction des essais nucléaires en 1963, des scientifiques américains ont lancé des satellites dans le but de surveiller la Terre à la recherche de pointes de rayons gamma, dont l'émission est le signe révélateur d'un essai nucléaire clandestin. Cependant, les scientifiques ont été surpris lorsqu'ils ont trouvé des sursauts de rayons gamma non pas de la Terre mais de l'espace.

Ces pics de rayonnement transitoires n'étaient pas l'œuvre d'extraterrestres faisant exploser des bombes nucléaires. Ils étaient la signature d'un sursaut gamma, l'explosion la plus puissante et la plus dangereuse de l'Univers. Ces événements sont si meurtriers que s'ils se produisaient n'importe où dans le voisinage cosmique de la Terre, ils stériliseraient la planète. Pour mieux comprendre le phénomène, des chercheurs basés au laboratoire du CERN en Europe utilisent un puissant accélérateur de particules pour recréer en laboratoire les conditions intenses qui caractérisent un sursaut gamma.

On pense qu'un sursaut gamma se forme lorsqu'une étoile massive manque de combustible nucléaire et que son noyau s'effondre sur lui-même, formant un trou noir. Lorsque l'étoile s'effondre, elle forme des champs magnétiques très puissants, qui empêchent une partie du matériau de l'étoile de tomber dans le trou noir. Ces champs magnétiques guident une partie de ce matériau vers les pôles de l'étoile, puis le propulsent dans l'espace à une vitesse proche de celle de la lumière.

Le flux de matériau éjecté de chaque pôle s'appelle un jet, et le matériau lui-même est un plasma chaud, qui résulte du chauffage d'un gaz à des niveaux tels qu'il perd une partie des électrons de ses atomes. Les jets comprennent également des rayons gamma, ainsi qu'un jet intense d'électrons et de positrons (l'équivalent antimatière des électrons). Les électrons et les positrons interagissent avec les champs magnétiques de manière complexe.

Ces jets de plasma sont extrêmement brillants. En moins d'une seconde, ils produisent autant d'énergie que le Soleil en émettra dans 10 milliards d'années, et ils peuvent facilement être détectés à des milliards d'années-lumière. Ils sont également assez mortels. Selon certaines théories, si un sursaut gamma se produisait à environ 200 années-lumière de la Terre et que les jets étaient pointés directement sur nous, notre planète serait vaporisée. À de plus grandes distances, mais toujours dans la Voie lactée, le rayonnement stériliserait toute vie du côté de la Terre pointant vers l'éclatement.

Même un sursaut gamma à plus d'un milliard d'années-lumière peut perturber les communications radio ici sur Terre. Ils sont si puissants. Heureusement, ces sursauts sont relativement rares, et les astronomes ne croient pas qu'une étoile dans le voisinage de la Terre soit candidate pour en générer un. Cependant, certains scientifiques pensent qu'un sursaut gamma était responsable de l'extinction massive de l'Ordovicien-Silurien il y a environ 440 millions d'années, au cours de laquelle environ 85% des espèces de l'époque se sont éteintes.

Nous pouvons décrire les mécanismes de base qui pilotent les sursauts gamma, mais les détails restent un mystère. Il est très difficile pour n'importe quel laboratoire de recréer la combinaison nécessaire de champs magnétiques chaotiques à l'intérieur d'un plasma dense et très chaud. Cependant, les chercheurs sont enfin sur le point de se pencher sur ces conditions compliquées.

Les scientifiques du laboratoire du CERN en Europe ont créé une installation qu'ils appellent Fireball. Le CERN est le laboratoire phare de la physique des particules en Europe, le plus célèbre pour abriter le Large Hadron Collider, l'accélérateur de particules à la plus haute énergie au monde. Le collisionneur est le dernier composant d'une série d'accélérateurs de particules plus petits. Chaque accélérateur augmente l'énergie d'un faisceau de particules d'une certaine quantité, puis la transmet à l'accélérateur suivant de la chaîne. À bien des égards, cela ressemble aux différents rapports d'une automobile - chaque rapport est réglé pour une certaine vitesse.

L'un des accélérateurs du complexe Large Hadron Collider s'appelle le super synchrotron à protons. Dans cet accélérateur, les protons atteignent 99,9998 % de la vitesse de la lumière. Ces protons sont ensuite projetés sur une cible fixe. Dans une procédure en plusieurs étapes, ils sont convertis en un faisceau d'électrons et de positrons hautement énergétiques. Enfin, ce faisceau d'électrons/positons est dirigé vers une enceinte dans laquelle se forme un plasma chaud. (Ce n'est pas aussi dangereux que ça en a l'air. Après tout, les lampes fluorescentes contiennent des plasmas, tout comme les boules de plasma, qui peuvent être achetées dans les magasins de nouveautés.)

Ainsi, l'installation Fireball est capable de générer une version miniature des conditions compliquées rencontrées à l'intérieur du jet d'un sursaut gamma. Les électrons et les positrons se propageant à travers un plasma sont exactement ce qui se produit dans le jet d'un sursaut gamma. Les champs magnétiques dans le plasma perturbent le faisceau d'électrons et de positrons, et cette perturbation donne forme à des champs magnétiques supplémentaires, ajoutant à la complexité.

Pourtant, en utilisant cet équipement unique, les scientifiques espèrent améliorer notre compréhension des événements les plus énergétiques du cosmos. Lorsque les scientifiques annonceront leurs résultats, les plus grosses explosions jamais observées deviendront un peu moins mystérieuses.