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Les phénomènes extrêmes de l’Univers

L’astrophysique des hautes énergies étudie les phénomènes les plus extrêmes de l’Univers. Des supernovæ aux quasars en passant par les étoiles à neutrons dont les pulsars, l’Univers regorge d’entités dont la production d’énergie dépasse l’entendement. Fourneaux de la grande alchimie cosmique, phares et balises dans l’immensité de l’Univers, ces phénomènes constituent une source quasi-inépuisable de questionnement pour les astrophysiciens. Défiez vos idées reçues avec des explosions qui sont 1 milliard de fois plus lumineuses que le Soleil ou avec des petits corps d’une quinzaine de kilomètres de diamètre dont la masse est 1 million de fois supérieure à celle de notre planète!

Qu'est-ce-que c'est?

Il existe plusieurs sortes de phénomènes à hautes énergies: les supernovæ, les étoiles à neutrons dont font partis les pulsars, ou encore les trous noirs dont les plus massifs sont à l’origine des quasars. Ces entités cosmiques sont toutes le résultat de la mort d’une étoile massive (au moins 8 fois plus massive que le Soleil). Elles ont comme point commun d’exercer sur leur environnement un impact tout à fait extraordinaire, dont les effets peuvent être visibles depuis l’autre extrémité de l’Univers.
Les supernovæ sont des explosions consécutives à l’effondrement sur elle-même d’une étoile massive. Leur puissance est telle qu’elles produisent autant d’énergie en un jour, que le Soleil au cours des 10 milliards d’années que va durer son existence. Leur luminosité est telle qu’il arrive qu’elles soient visibles à l’œil nu en plein jour!
Les pulsars sont des étoiles à neutrons qui émettent en direction de la Terre des ondes radios à intervalle très régulier. Ce sont de petits corps sphériques d’une quinzaine de kilomètres de diamètre tournant sur eux-mêmes à une vitesse vertigineuse. Leur densité peut être comparée à celle qu’aurait un dé à coudre dans lequel on aurait comprimé une plateforme pétrolière (1 million de tonnes/cm3).
Les quasars sont des centres de galaxies d’une luminosité telle qu’ils sont les objets les plus lointains que l’on peut voir depuis la Terre. Les astrophysiciens pensent qu’il s’agit de noyaux galactiques dont le trou noir central est supermassif (plusieurs milliards de fois la masse du Soleil) et entouré de beaucoup de matière, ce qui le rend très actif.

Comment apparaissent les phénomènes à hautes énergies?

Quand une étoile massive a fini de brûler tout son carburant, son cœur constitué de fer ne peut plus produire d’énergie par réaction nucléaire. Il s’effondre sur lui-même, entraînant avec lui les gaz qui constituent l’ensemble de l’étoile.
Lancés à une vitesse extrême vers le centre de l’étoile (plusieurs dizaines de millions de km/s), les gaz vont alors « rebondir » sur la surface du noyau de fer et repartir dans l’autre sens telle une onde de choc détruisant tout sur son passage. Une supernova est née.
Après l’explosion, le cœur de l’étoile a subi une telle pression que les électrons et les protons qui le composaient ont fusionné pour se transformer en neutrons. À ce stade, la matière est si comprimée que l’objet ne mesure plus que quelques kilomètres de diamètre et pèse l’équivalent de 1 à 2 soleils. Une étoile à neutrons, ou pulsar, a vu le jour.
Mais si le noyau de neutrons au centre de l’étoile est plus massif que 3 fois le Soleil, il est incapable de supporter son propre poids. Il s’effondre alors sur lui-même, devenant alors un trou noir.
Les trous noirs se situent au centre des galaxies et ne sont visibles que grâce au disque de matière visible qui s’agglutine à leur périphérie. Les astrophysiciens pensent que certains de ces trous noirs seraient si massifs et entourés de tant de matière à avaler (disque d’accrétion) qu’ils éjecteraient un jet de radiation d’une force et d’une luminosité inouïe. Ils deviendraient alors des quasars.

Pourquoi étudie–t-on les phénomènes à hautes énergies?

Au-delà de l’aspect fascinant de ces phénomènes, leur étude apporte de nombreuses révélations sur la composition et la structure de l’Univers. Tout d’abord, ils sont autant d’indices sur la dynamique de l’Univers grâce à leur luminosité qui permet de suivre leur position malgré les distances astronomiques qui nous séparent d’eux.
Les réactions nucléaires qui entrent en jeu à la mort d’une étoile sont si complexes que les scientifiques ne sont pas encore en mesure de les reproduire numériquement de manière tout à fait fidèle. On sait cependant que ces réactions sont à l’origine de l’apparition des composés les plus lourds et les plus complexes de l’Univers. Après l’explosion d’une supernova le milieu interstellaire alentour se trouve enrichi. Les scientifiques pensent que l’essentiel, voire la totalité, des éléments lourds qui composent notre planète et les êtres vivants qui la peuplent proviennent d’une supernova: le fer, l’or et même le calcium, l’oxygène, le carbone ou encore l’azote.
Il existe une autre application de l’étude des quasars et des pulsars. À l’image des navigateurs marins, les explorateurs de l’Univers ont besoin de repères pour s’orienter dans l’immensité du cosmos qui est en mouvement perpétuel. Les quasars sont si éloignés de nous que nous ne percevons pas leur mouvement. Ils peuvent servir de repères très précis et fiables, un peu comme des phares dans la nuit. Les pulsars sont aussi d’excellents repères dans l’Univers. Les sondes Pioneer ou Voyager portent avec elle des cartes indiquant la position de la Terre par rapport aux pulsars.

Comment les étudie-t-on?

Les émissions extrêmement puissantes de phénomènes à hautes énergies s’observent sur toute la gamme du spectre électromagnétique mais plus caractéristiquement sur le domaine d’observation à hautes énergies (rayons X et gamma). Ces derniers sont essentiels pour obtenir une vision globale de la physique extrême qui est en jeu dans de tels objets célestes.
Les chercheurs du Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies (LPNHE) utilisent un télescope hawaïen pour leurs recherches sur les supernovæ. Ils utilisent la position de certaines d’entre elles, connues pour ne pas varier en luminosité, pour déterminer les dynamiques à l’œuvre dans l’Univers. Ces études servent à une meilleure compréhension de l’expansion de l’Univers, en particulier l’accélération de cette expansion sous l’effet de la mystérieuse Énergie Noire.
Pour repérer de nouvelles supernovæ, on utilise la photométrie. Une méthode qui consiste à prendre des «photos» du ciel à différents moments et à comparer ensuite la luminosité des astres. Si l’éclat augmente à un endroit, il est possible qu’une supernova y soit apparue.
Au laboratoire SYstèmes de Référence Temps Espace (SYRTE), les chercheurs s’intéressent de près aux quasars avec entre autres l’élaboration d’un catalogue de recensement des positions exactes des quasars. Ce catalogue réunit le travail d’astronomes du monde entier et devrait bientôt compter 300 000 quasars.