>> Retour vers toutes les thématiques

L’astronomie sans lumière

Les yeux et les dispositifs optiques ont été les premiers moyens d’étudier l’Univers. Cette astronomie de la lumière a permis de mieux comprendre les planètes, étoiles, galaxies, mais aussi fond cosmologique, cet écho du Big Bang. Mais comment expliquer les phénomènes dont l’on perçoit les effets mais que l’on ne peut voir? Matière noire, énergie sombre ou même trous noirs, ces phénomènes invisibles accélèrent l’émergence d’une nouvelle astronomie dans laquelle la lumière ne serait plus l’unique source d’informations.
Dans un avenir proche, les instruments qui permettent de détecter les ondes gravitationnelles ou les neutrinos pourraient bien devenir les nouveaux «yeux» avec lesquels nous observerons l'Univers.

Neutrinos et ondes gravitationnelles: qu’est-ce que c’est?

L'astronomie classique consiste à étudier les photons qui composent la lumière. Il existe aussi d’autres sources d’information: les neutrinos et les ondes gravitationnelles.
Bien que ce soit la particule la plus répandue dans l'Univers, le neutrino est une particule mystérieuse qui tient les astronomes en haleine depuis plusieurs décennies. Il a été très difficile d’identifier ses paramètres, en particulier parce qu'il interagit très peu avec la matière. Le neutrino a une masse. Celle-ci est si faible qu'il est pour encore impossible de la mesurer. Les sources de neutrinos sont multiples. Ils peuvent provenir d’interactions nucléaires dans les centrales ou à l'intérieur du Soleil, de phénomènes astrophysiques violents comme les sursauts gamma, de galaxies à noyau actif ou des restes d’une supernova.
Prédites par Einstein en 1916 dans le cadre de la Relativité Générale, les ondes gravitationnelles sont des déformations de l'espace-temps. Cette surface théorique qui décrit la trajectoire des corps célestes se ride, comme l'eau à la surface d'un étang, sous l’effet d’un phénomène violent comme la fusion de deux étoiles. Une impulsion d’onde est alors émise et traverse plusieurs milliers d’années-lumière. Son amplitude diminue avec la distance parcourue mais son effet peut tout de même être mesuré depuis la Terre. Elles peuvent même modifier d'un milliardième de milliardième de mètre la distance entre deux objets distants d’un kilomètre seulement.

Comment les étudie-t-on?

Les neutrinos sont des particules très difficiles à détecter. Il existe plusieurs types de détecteurs. Leur principal point commun est d’être composé d’une grande quantité de matériel, étant donnée la faible capacité d’interaction des neutrinos. Le laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC) participe notamment à plusieurs importants projets.
DOUBLE CHOOZ est une expérience installée à proximité d’un réacteur nucléaire. Son objectif est l’étude des propriétés des neutrinos. Cette installation a permis d’identifier le dernier paramètre inconnu décrivant les oscillations de neutrinos.
Antarès et KM3NeT sont des détecteurs ultra-sensibles qui tentent d’identifier des neutrinos cosmiques issus d’événements violents de l’Univers. La déformation de l’espace-temps que provoque une onde gravitationnelle est minuscule. Pour les détecter, l'instrument doit être capable de détecter une variation négligeable: l’équivalent d’un atome par rapport à la distance Terre-Soleil! Pour cela, il faut des interféromètres, des instruments de mesure très précis.
VIRGO est un interféromètre franco-italien, installé à côté de Pise, en Toscane. Ses deux bras mesurent 3 km de long chacun.
Coordonné par l’APC, eLISA est un projet français de mise en orbite d’un interféromètre spatial. Il sera mis en place d’ici une quinzaine d’années. Ses bras mesureront un million de km chacun. Sa sensibilité sera donc supérieure à celle de VIRGO.

A quoi peuvent servir les neutrinos?

Les photons sont facilement absorbés par la matière. Ils ont donc du mal à s'échapper de zones très denses comme les trous noirs ou les supernovæ. En revanche, les neutrinos ont la capacité de les traverser et de nous parvenir intacts, avec nombre d’informations. Ils sont en somme des espions invisibles au service de la science.
En dépit de leur côté quelque peu fantomatique, on peut trouver des applications liées aux neutrinos jusque dans notre vie quotidienne!
Puisqu’ils interagissent très peu avec la matière, les neutrinos peuvent nous transmettre des informations de première main sur les lieux et la manière dont ils sont produits. Ils voyagent en ligne droite, on peut donc facilement retrouver la source.
Les neutrinos solaires, par exemple, sont issus du cœur nucléaire de notre étoile. Ils traversent les couches supérieures sans subir de transformation. Ce sont des indicateurs précieux de ce qui se passe en des endroits inaccessibles à l’œil.
Ainsi, dans le cadre de sa mission pour la non prolifération nucléaire, un organisme comme l’AIEA peut utiliser les propriétés des neutrinos pour connaître avec précision l’activité réelle d’un réacteur nucléaire.
La détection des neutrinos terrestres pourrait aussi permettre d’étudier la répartition des substances radioactives (uranium, thorium et potassium) à l’intérieur du globe. Ces éléments sont à l’origine de la chaleur interne de notre planète. En ce désintégrant, ils produisent de la chaleur et empêchent le cœur de notre planète de se refroidir.

A quoi peuvent servir les ondes gravitationnelles?

Les photons sont les médiateurs de la force électromagnétique. Les ondes gravitationnelles, elles, transportent la force de gravité.
Regarder l'Univers «à travers» les ondes gravitationnelles donnerait accès à des informations très différentes et très complémentaires de celles que nous offre la lumière. Elles peuvent nous permettre de retracer l’histoire des trous noirs super massifs au centre des galaxies et de mieux les comprendre. Compatibles avec la relativité d’Einstein, elles sont également un moyen de tester cette théorie dans des conditions extrêmes comme aux abords des trous noirs.
Quant aux ondes gravitationnelles primordiales que l’on suppose émises juste après le Big Bang, elles pourraient nous renseigner sur la façon dont notre Univers est né. Les observations récentes faites par l’équipe de chercheurs basée en Antarctique semblent attester de l’existence de ces ondes primordiales. Les résultats semblent confirmer le modèle le plus populaire auprès des astronomes: celui de l’inflation.
Selon ce modèle, l’Univers serait né dans une explosion suivie, un millionième de milliardième de milliardième de milliardième de secondes plus tard, d’une phase d’expansion très rapide. La confirmation de cette théorie pourrait ouvrir la voie à l’explication de beaucoup d’autres phénomènes cosmologiques comme la matière noire ou l’antimatière. Cela ouvre une nouvelle fenêtre sur l'Univers.