Univers: le chaos ordonné des trous noirs
Publié par Redbran le 16/01/2019 à 14:00
Source: Université de Genève (UNIGE)
Des chercheurs de l'UNIGE 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.


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 (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue...) gamma frappe l'une des 1600 barres de scintillation spécialement conçues. Cette vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) est basée sur une photo prise par une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) située à plusieurs mètres derrière POLAR. © UNIGE

Lorsqu'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à...) se crée, il émet pendant un bref instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) une gigantesque bouffée de lumière très énergétique sous forme de rayons gamma, nommée sursaut gamma (Les sursauts gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons gamma qui apparaissent aléatoirement dans le ciel....). Ce phénomène comprend tous les plus grands mystères de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) actuelle: ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte...) gravitationnelles, relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux...), température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) et accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification affectant la...) de particules beaucoup plus énergétiques que celle atteintes au CERN. C'est pourquoi des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Genève (UNIGE), en collaboration avec l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Paul Scherrer (PSI) de Villigen, l'Institut of High Energy Physics de Pékin (Pékin (ou Beijing) (?? ; pinyin : B?ij?ng   Écouter la prononciation en mandarin , « la capitale du nord ») est la capitale et l'un des centres culturels de la République populaire de Chine....) et le Centre National de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) 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 de POLAR révèlent que les sursauts gamma ne sont ni complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à...) chaotiques, ni complètement organisés, mais un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de...) des deux: dans chaque tranche temporelle, les photons oscillent dans une même direction, mais la direction d'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations...) change avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), créant un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) chaotique. Ces résultats, à lire dans la revue Nature Astronomy, ouvrent un nouveau pan pour la recherche et les théories des sursauts gamma.

Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) ou qu'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la...) super massive (Le mot massif peut être employé comme :) 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 (GRB). Sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...), seule la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène physique naturel...) 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 (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.), soit horizontale. Si tel était le cas, la source des photons fournirait une direction privilégiée grâce à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie...) et offrirait aux astronomes la possibilité de définir la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) et la taille du lieu de naissance du trou noir. La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure...) 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 ?

"Notre collaboration internationale a construit et envoyé dans l'espace le premier détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation...) d'astroparticules POLAR, assez puissant pour mesurer la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le...) des sursauts gamma et tenter d'en découvrir la source", explique Xin Wu, professeur au Département de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de...) de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Son système de fonctionnement est simple. Il s'agit d'un carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un carré est à la fois un rectangle et un losange.) de 50x50 cm2 constitué de 1600 barres de scintillateur (Un scintillateur, est un matériau qui émet de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement.) qui permet de faire entrer en collision des photons avec des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...). Lorsqu'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) percute une barre en entrant dans 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, continue Nicolas Produit, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et...) au département d'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas...) de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Au contraire, 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."

De l'ordre dans le chaos

En six mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), POLAR a détecté 55 sursauts gamma et les scientifiques ont analysé les oscillations de plusieurs milliers de photons provenant des 5 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", dit 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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de...) !", 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", continue Merlin Kole.

Ces premiers résultats confrontent les théoriciens à de nouveaux éléments qu'il faut 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 (Une organisation est) chaotique des trous noirs, pour enfin découvrir leur source et éclaircir les mystères de cette physique très énergétique", explique Nicolas Produit.

Contacts chercheurs:
- Xin Wu, professeur associé au Département de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et corpusculaire - Faculté des sciences
- Nicolas Produit, collaborateur scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) au département d'astronomie- Faculté des sciences
- Merlin Kole, post-doctorant au Département de physique nucléaire et corpusculaire- Faculté des sciences

Référence publication:
Cette recherche est publiée dans Nature Astronomy - DOI: 10.1038/s41550-018-0664-0
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