Les quatre messagers de l’astrophysique

Pour observer l’Univers qui nous entoure, les astrophysiciens peuvent s’appuyer sur quatre « messagers » : les rayonnements électromagnétiques, les rayons cosmiques, les neutrinos et les ondes gravitationnelles. On vous présente les spécificités et intérêts de chacun.

Tels les quatre cavaliers de l'apocalypse, les messagers du jour permettent d’obtenir des « signaux » – et donc de précieuses informations – sur des événements importants et massifs qui se déroulent un peu partout dans l’Univers, par exemple l’explosion d’une étoile ou d’un trou noir supermassif. 

Le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, avec l’aide de Fabian Schüssler (astrophysicien au département de physique des particules de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers), revient en détail sur ces messagers, en expliquant les avantages que l’on peut tirer de leur combinaison. Ce n’est pas que de la théorie, nous avions déjà de l’astronomie « multi-messagers » en 2017.

Rayonnements électromagnétiques au rapport

Commençons par le premier des quatre cavaliers : les rayonnements électromagnétiques. Ils sont composés de photons, et s’étendent sur une large gamme de longueur d’onde allant des rayons radio aux rayons X et gamma, en passant évidemment par la lumière visible (ainsi que les infrarouges et ultraviolets).

Historiquement, ces rayonnements étaient « les premiers à être observés – c’était alors ce qu’on appelle de l’astrophysique multi-longueurs d’ondes. L’idée était de combiner des rayonnements de différentes longueurs d’ondes, pour obtenir une image la plus complète possible d’un événement, par exemple une supernova, ou d’un objet, comme une étoile ou une galaxie », détaille le CEA.

Les rayons cosmiques en mode boule de flipper (sans Charby)

Les rayons cosmiques ont été découverts au début du XXe siècle (soit il y à peine plus d’une centaine d’années) et sont les seconds messagers. En effet, c’est en août 1912, lors d’un vol en montgolfière à 5 300 mètres, que le physicien autrichien Victor Hess « mesura le taux d’ionisation dans l’atmosphère et découvrit que celui-ci était trois fois plus élevé qu’au niveau de la mer. Il en conclut qu’un rayonnement pénétrant entrait dans l’atmosphère depuis le ciel. En fait, il avait découvert les rayons cosmiques », explique le CERN.

Les rayons cosmiques « ont pour particularité d’être extrêmement énergétiques et chargés électriquement ». Cette particularité « fait qu’il est très compliqué de remonter à leur origine puisqu’ils sont souvent déviés dans les champs magnétiques présents à toutes les échelles de l’Univers (du système solaire à la Voie lactée et l’espace intergalactique) ». 

Contrairement aux rayonnements électromagnétiques, ils sont principalement composés de protons (à 89 %), mais « il y a aussi des noyaux d’hélium (10 %) et des noyaux plus lourds (1 %) de divers éléments, jusqu’à l’uranium ».

Quand ces rayons s’approchent de la Terre, ils « entrent en collision avec les noyaux d’atomes situés aux confins de l’atmosphère, créant ainsi de nouvelles particules, principalement des pions. Ces pions chargés peuvent se désintégrer rapidement, et ils émettent alors des particules appelées muons ». Ces derniers traversent l’atmosphère et pénètrent même sous la terre.

« L'étude des rayons cosmiques a ouvert de nouvelles perspectives pour l'étude des particules, au-delà des limites de l'atome : la première particule d’antimatière, un positon (ou antiélectron), a été découverte en 1932, le muon en 1937, puis cela a été le tour du pion, du kaon et de plusieurs autres. Jusqu’à l’avènement des accélérateurs de particules de haute énergie, au début des années 1950, ce rayonnement naturel constituait le seul moyen d’étudier ce « zoo » de particules en pleine expansion », détaille le CERN.

En 2018, le CEA reconnaissait néanmoins qu’« aucune source de rayons cosmiques de très hautes énergies n’a pu être identifiée et le mécanisme d’accélération de ces particules reste une énigme ».

Bien plus discrets, voilà les neutrinos

Passons au troisième messager : les neutrinos. Comme leur nom le laisse présager, ils sont neutres (non chargés) et n’interagissent donc « que très faiblement » avec leur environnement. Cela en fait des messagers intéressants car il peuvent « sortir d’endroits très denses, tel les cœurs des galaxies, non observables par les rayonnements électromagnétiques, ce qui nous donne des renseignements précieux, autrement inaccessibles ».

Cet avantage est aussi un problème pour les scientifiques : les neutrinos sont très difficiles à détecter. Comment faire alors ? Il faut que le neutrino interagisse pour se transformer en muon. Ce dernier se propage alors « dans l’eau plus vite que la lumière, émet un cône de lumière bleutée, la lumière Tcherenkov ». 

Pour rappel, rien ne va plus vite que la lumière… dans le vide ! Nous avons déjà vu que les faisceaux hertziens sont plus rapides que la lumière dans une fibre optique (qui est aux alentours de 200 000 km/s), ce qui les rend particulièrement intéressants pour le trading haute fréquence. 

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Quoi qu’il en soit, nous disposons déjà de plusieurs « télescopes à neutrinos », situés dans la mer Méditerranée (ANTARES, KM3NeT), dans le lac Baikal (GVD) et enfin dans la glace du pôle Sud (IceCube). 

Alors que revoilà les ondes gravitationnelles

Le quatrième et dernier cavalier fait beaucoup parler de lui depuis quelques années : les ondes gravitationnelles. Il s’agit pour rappel d’une déformation de l’espace-temps, que nous pouvons observer depuis peu. Ces ondes sont notamment détectées par les observatoires Virgo, LIGO et KAGRA.

En février 2016, lors de la première détection des ondes gravitationnelles (dont Einstein avait prédit l’existence 100 ans auparavant), le CNRS expliquait en quoi c’était important pour l’étude de l’Univers : « Imaginez que vous ayez été sourd toute votre vie. Mais qu’un jour vous vous mettiez à entendre. Vous seriez capable d’explorer l’Univers d’une manière inédite ». C’est donc un peu comme observer avec un nouveau sens. 

Un tournant en 2017

Les premières détections ne portaient que sur des ondes gravitationnelles et il faudra attendre octobre 2017 pour voir « l’avènement d’une astronomie dite "multi-messagers" », rappelle le CNRS. C’est en effet à ce moment-là que des chercheurs publient des études sur une source d’ondes gravitationnelles qui émet de la lumière, « observée dans les heures, jours et semaines qui suivirent grâce à la contribution de 70 autres observatoires sur Terre et dans l’espace ».

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Solenn Vaupré, professeur agrégé à l'Université Grenoble Alpes et docteur en astrophysique, donnait de plus amples détails dans sa conférence de novembre 2018 sur l’astrophysique multi-messager. Il y parlait notamment de l’événement d’octobre 2017 qui, pour la première fois, a « permis l'observation multi-messagers d'un même événement », offrant ainsi une « vision très complète ».

C’était la première détection du genre, « mais pas la dernière » ajoutait-il. Maintenant que les astrophysiciens savent quoi chercher, il est (théoriquement) plus facile de trouver.