La Matière Noire à l'origine de la disparition des Pulsars ?

Le centre de notre galaxie est un endroit vraiment très intéressant. Très intéressant parce qu'il s'y passe plein de choses, et surtout parce que c'est le royaume de la densité. On y trouve en premier lieu, tout au centre, l'objet le plus dense de toute la galaxie, le trou noir supermassif Sgr A*. Et puis tout autour de lui gravitent une population très dense d'étoiles, parfois très proches les unes des autres, mais aussi de nombreux nuages de gaz et de poussières eux aussi très denses. Et puis il y a des pulsars, ces étoiles à neutrons résidus d'étoiles explosées dont la densité de matière est la seconde plus forte après celle des trous noirs. 

Du moins, il devrait y avoir de nombreux pulsars. Car étrangement, nous n'en voyons que très peu, vraiment beaucoup moins que le nombre que l'on devrait voir. On appelle ce problème le "problème des pulsars manquants".

La très forte densité d'étoiles dans le centre galactique indique qu'il devrait s'y trouver plusieurs centaines de pulsars . Et parmi eux, les pulsars "jeunes" devraient être au nombre de 50, alors que nous en n'avons observé qu'un seul!

Le centre de notre galaxie (NASA/CXC/UMass/D. Wang et al./STScI/JPL-Caltech/SSC/S.Stolovy)

Deux astrophysiciens américains, Joseph Bramante et Tim Linden, viennent de proposer une solution audacieuse, voire élégante, pour expliquer ces observations manquantes. Le centre galactique est aussi l'endroit de la galaxie où la densité de matière noire doit être la plus grande. Les chercheurs ont donc imaginé que tout était lié. La matière noire pourrait être à l'origine de la disparition des pulsars.

Bramante et Linden, dans leur étude théorique publiée le 3 novembre dans Physical Review Letters, proposent un mécanisme très simple : là où la densité de matière noire sous forme de particules massives est la plus grande est là aussi où apparaissent les étoiles à neutrons lors de l'explosion d'étoiles massives (ces résidus d'étoiles ne sont pas assez massifs pour finir en trous noirs).

Mais ces étoiles à neutrons en rotation rapide, ces pulsars, possèdent un champ de gravitation très fort, et peuvent donc attirer à eux de grandes quantités de particules de matière noire. Ils peuvent ainsi accumuler de la matière noire dans leur centre et grossir. Mais une étoile à neutrons ne peut pas avoir une masse indéfiniment grande, il existe une masse limite au delà de laquelle l'étoile à neutron ne peut plus être stable, au delà de cette masse, elle devient... un trou noir. 

Vue d'artiste d'un pulsar (NASA/Fermi)

Après une accumulation suffisante de matière noire, le pulsar disparaît et n'existe soudainement plus... Cela pourrait expliquer pourquoi nous voyons si peu de pulsars dans le centre galactique, ils seraient "simplement" devenus des trous noirs, qu'on ne verrait bien sûr pas.

Et comme la densité de matière noire décroît lorsqu'on s'éloigne du centre de la galaxie (car elle doit former un halo sphérique), Bramante et Linden prédisent qu'il suffirait de dénombrer les pulsars et surtout d'évaluer leur âge en fonction de leur distance du centre de la galaxie pour caractériser non seulement la répartition de la matière noire, mais aussi quelques caractéristiques physiques des particules en question, comme leur masse. En effet, d'après ce modèle, l'âge de collapse d'un pulsar se trouve être inversement proportionnel à la densité de matière noire (et donc de la distance) et proportionnel à la vitesse de dispersion des WIMPs.

Alors, certes, l'observation d'un tel signal est difficile, car il faut collecter un maximum de signaux radio de pulsars, mais ce n'est pas impossible. Si une telle évolution en fonction de la distance du centre galactique peut être observée, la difficulté sera ensuite dans l'interprétation de l'observation : il faudra pouvoir déterminer si l'effet est bien dû au mécanisme proposé par Bramante et Linden et pas à un autre phénomène.

Une variante serait de pouvoir observer directement le collapse d'un pulsar en trou noir, mais on ne sait pas vraiment à quoi cela doit ressembler en termes de rayonnements...

La proposition de Bramante et Linden est en tout cas une toute nouvelle méthode dans la boîte à outils des astrophysiciens et autres physiciens des astroparticules dans leur quête incessante de la masse manquante des galaxies et elle permet de répondre à une énigme encore sans réponse, ce qui est loin d'être sans intérêt.

Référence :

Detecting Dark Matter with Imploding Pulsars in the Galactic Center

Joseph Bramante & Tim Linden

Phys. Rev. Lett. 113, 191301 (3 November 2014)

A quoi ressemble un couple de Trous Noirs ? Pas à ce à ce que vous croyez...

Les trous noirs sont très bien décrits par les équations de la relativité générale d'Albert Einstein. Mais ces équations sont si complexes du fait de leur non-linéarité, que personne jusqu'à présent n'avait réussi à déterminer la forme de l'espace-temps autour d'un couple de trous noirs proches de fusionner. Et bien ce que vous voyez là est le résultat de cette quête enfin réussie. Cet objet très étrange, comme fait de petit bouts tout noirs est exactement ce qu'un observateur passant à proximité d'un couple de trous noirs verrait en les regardant...

Simulation de deux trous noirs en rotation proche de leur fusion (Andy Bohn et al.)

Comment une telle déformation est-elle possible ? Les trous noirs sont-ils déchirés pour former des petites protubérances ? Non, les deux trous noirs sont encore deux objets tout à fait distincts, mais ils produisent un très fort effet de lentille gravitationnelle, en déformant l'espace-temps autour d'eux. Et chaque trou noir du couple faisant de même, il se produit des effets optiques très étranges. 

Les effets de lentille gravitationnelle produits par un seul trou noir ont été étudiés et sont assez facilement calculables depuis les années 1970. Rappelons que ce phénomène vient du fait que l'espace-temps se déforme par la présence d'une forte densité de matière : les rayons de lumière parcourent une ligne droite, mais sur un canevas d'espace-temps qui se trouve incurvé, semblant ainsi parcourir des trajectoires curvilignes à proximité de la masse responsable.

Principe du ray-casting avec un seul trou noir (Bohn et al.)

Et la présence de deux trous noirs côte à côte, qui plus est en rotation très rapide l'un autour de l'autre, rend les équations affreuses (pour ne pas dire impossibles) à résoudre. 

Mais les progrès de l'informatique étant ce qu'ils sont, la résolution de telles équations sont devenues possibles et ont pu être mises en application sur des cas concrets pour calculer toutes les distorsions des trajets des photons lumineux venant de l'arrière plan d'un couple de trous noirs.

Cette étude animée par l'astrophysicien Andy Bohn du Center for Radiophysics and Space Research de Cornell University, est l'objet d'un article paru il y a quelques jours sur le site de préprints ArXiv. C'est la première fois que nous pouvons "voir" à quoi doit ressembler un couple de trous noirs très rapprochés.

La technique employée par Bohn et ses collègues est une technique appelée le ray-casting : ils produisent une image géométrique en calculant le trajet des rayons lumineux de la "caméra" jusqu'à l'infini en interposant au milieu l'objet modifiant ledit trajet, c'est à dire les solutions des équations du couple de trous noirs, ainsi que les trous noirs eux même, par lesquels aucun rayon ne peut passer bien sûr, zones noires.

Image géométrique construite à partir de deux trous noirs de masse égale.
(Bohn et al.)

Bohn et son équipe ont commencé doucement par simuler un seul trou noir, qui montre déjà des effets intéressants comme par exemple une asymétrie due au sens de rotation du trou, qui permet à un photon d'approcher plus près si il se déplace dans la même direction que la rotation de l'espace-temps emporté par le trou noir. Puis ils ont ajouté un second trou noir en interaction avec le premier, et c'est là que c'est devenu fascinant.

Les chercheurs ont vu apparaître ces formes tout à fait surprenantes où des morceaux de trous noir en forme de gros sourcils apparaissent à côté de chacun des deux trous noirs initiaux, eux-mêmes très déformés, très loin d'une forme sphérique. Et quand on y regarde de près, on peut en outre apercevoir à côté des ces gros sourcils, de plus petites formes noires oblongues, des ombres comme une suite fractale de zones de trou noir, d'où ne parviennent aucun photon.

C'est grâce à ce type d'image géométrique construite à partir d'une projection à l'infini de rayons en y appliquant les bonnes équations que Bohn et al. ont pu produire cette belle image que je vous montre en début de billet avec la voie lactée en image de fond d'un hypothétique couple de trous noirs.

On peut se demander si il serait possible de voir "en vrai" de tels effets depuis la Terre. La réponse est aujourd'hui non. Pour commencer à voir de tels effets, il faudrait avoir sous la main un tel couple de trous noirs, situé à une distance vraiment très proche, ou encore avoir des télescopes permettant une résolution d'image extrêmement haute que nous sommes encore loin de concevoir. Il semble également qu'un tel couple de trous noirs qui serait entouré de matière, d'un disque d'accrétion, ressemblerait vu d'un peu loin à un trou noir unique... 

Mais un jour futur viendra où un homme verra réellement cette grande illusion cosmique et ne sera pas surpris outre mesure, car il saura désormais à quoi s'attendre. En attendant cette future observation, Andy Bohn et son équipe s'attaquent maintenant à simuler les effets de lentille gravitationnelle d'objets en couple peut-être un peu plus accessibles comme des couples d'étoiles à neutron ou des couples mixtes étoiles à neutron - trou noir. De belles images à venir!

What would a binary black hole merger look like?

Andy Bohn et al.

http://arxiv.org/abs/1410.7775 (28 octobre 2014)

Pourquoi il faut lire ce livre : Trous Noirs et Distorsions du Temps, par Kip Thorne

Ce livre est unique en son genre, le genre de la vulgarisation scientifique. C'est simple, je n'ai jamais lu un autre livre de vulgarisation de l'astrophysique comme celui-là. Son auteur, le physicien théoricien Kip Thorne est un spécialiste de la relativité générale et de tout ce qui touche de près à la gravitation, que ce soient les ondes gravitationnelles ou les trous noirs, au California Institute of Technology. Et c'est sous couvert de nous expliquer comment fonctionnent les trous noirs et autres distorsions du temps (ou plus exactement de l'espace-temps) que Kip Thorne réussit à nous captiver littéralement en nous racontant la petite et la grande histoire d'un siècle de physique, avec ses avancées, ses reculs, ses hésitations, ses tentatives, ses espoirs et désespoirs, et ses paris délirants entre physiciens...

Kip Thorne à participé activement à cette aventure et peut donc à loisir entrer dans tous les détails parfois croustillants qui font la science telle qu'elle est, imaginée par des hommes, le plus souvent exceptionnels.

Le livre commence par un prologue étonnant, récit de science fiction où le lecteur sera emporté tout de suite au contact du sujet principal : le trou noir, mais ce n'est que pour mieux le saisir car très vite, nous partons à la découverte du génial Einstein, dont on comprend (pour la première fois!) par quels chemins tortueux il est parvenu à établir la théorie de la relativité restreinte, puis générale. Tout est une histoire de marées...

Mais Einstein n'est que la pierre de fondation de l'édifice, car vont se suivre ses nombreux successeurs, depuis les précoces Karl Schwarzschild et Subrahmanyan Chandrasekhar jusqu'aux anglais Stephen Hawking et Roger Penrose, en passant bien sûr par l'école américaine, de Fritz Zwicky, à Robert Oppenheimer puis John Wheeler, mentor de Kip Thorne à qui est dédié le livre, ainsi que leurs nombreux étudiants et étudiantes, dont les noms ne sont jamais omis par Thorne.

Les physiciens soviétiques ne sont pas oubliés non plus, eux qui ont joué un rôle fondamental dans la compréhension de la physique des trous noirs. notamment les figures tutélaires Yakov Zeldovitch, Lev Landau et Igor Novikov, que Thorne a pu cotoyer en pleine guerre froide.

Kip Thorne raconte ses rencontres, mais relate surtout comment tous ces grands physiciens ont produit les idées qui se sont finalement trouvées les bonnes, ou non...

Ce voyage foisonnant nous emporte en même temps au cœur de la physique des objets les plus énigmatiques qui soient : les trous noirs, singularités, ondes gravitationnelles et autres trous de ver. Thorne nous explique les effets de la relativité générale avec une aisance hors du commun, utilisant une méthode pédagogique fondée sur la répétition des concepts, ce qui a pour effet de produire une véritable compréhension du lecteur. 

Kip Thorne

Avant de consacrer quelques chapitres à ses propres sujets de recherche, la détection des ondes gravitationnelles et les effets étranges de distorsion de l'espace-temps, Kip Thorne nous livre une histoire de l'avancée de la physique des trous noirs encore jamais entrevue auparavant, celle de physiciens qui ont mis leur savoir théorique à la disposition de leurs gouvernements pour construire les armes les plus destructrices qui soient, bombes nucléaires ou thermonucléaires.  Kip Thorne nous fait comprendre à la lecture de Trous Noirs et Distorsions du Temps à quel point la course aux armements nucléaires dans les deux blocs après la seconde guerre mondiale a permis de faire un bond considérable dans la compréhension de la physique des étoiles et des phénomènes d'effondrement gravitationnels, sous forme de trous noirs. Un passage vertigineux et qui laisse songeur...

Mais Trous Noirs et Distorsions du Temps est surtout un ouvrage qui permet de comprendre ce qu'est un trou noir, comment il se forme, quelles sont ses propriétés (comment elles ont été trouvées) et quels sont les différents stades d'évolution d'une étoile pouvant mener à cet ultime état. La progression se veut chronologique, depuis les ébauches des années 1930 sur les naines blanches et les étoiles à neutrons jusqu'à la découverte des premiers quasars dans les années 1960, qui permirent enfin de mettre le doigt sur la présence de trous noirs très très massifs.

Le livre se clôt comme il a commencé, en se laissant dériver lentement vers un récit proche de la science fiction, où la question du voyage dans le temps est clairement posée, grâce à la domestication de trous de vers, relais spatio-temporels hypothétiques, mais théoriquement possibles et démontrés par Kip Thorne.

Trous Noirs et Distorsions du Temps est paru il y a déjà 20 ans mais il garde aujourd'hui toute sa fraîcheur et son actualité. C'est sans aucun doute l'un des meilleurs (si ce n'est le meilleur) livre de vulgarisation en astrophysique.

Trous Noirs et Distorsions du Temps

Kip Thorne

Préface de Stephen Hawking

Champs Flammarion Sciences 

12 €

Une probable Supernova découverte dans la Galaxie M61

C'est hier que l'astronome japonais Koichi Itagaki a rapporté la découverte de ce qui semble bien être une nouvelle supernova, dans la belle galaxie proche M61. Koichi Itagaki s'est spécialisé dans la recherche de supernovas et en a déjà plus de 90 à son actif. Des images de la galaxie M61 comparées avec des images plus anciennes montrent clairement la présence d'un nouvel objet très brillant.

Images de M61 avant et après la découverte de la SN
(Ernesto Guido, Martino Nicolini, Nick Howes)

Il est intéressant à noter également que ce même Itagaki avait déjà découvert une supernova dans cette même galaxie il y a à peine 6 ans.

M61 est une des galaxies assez brillantes dont on peut voir clairement les bras spiraux dans un télescope d'amateur relativement modeste. Pour la trouver (par exemple avec un Dobson sans goto), c'est même facile : la constellation de la Vierge forme un grand Y, avec la brillante Porrima à l'intersection des deux fourches. Cette constellation est actuellement visible en toute fin de nuit juste avant l'aube vers l'horizon Est-Sud-Est, pile au dessus du point brillant qui rase l'horizon et qui n'est autre que Mercure...

Horizon Est à 6h le 31 octobre 2014

Une fois sur Porrima, vous prendrez la fourche droite du Y, pour vous arrêter sur la première étoile rencontrée, éta Vir. De là, il suffit de suivre un segment imaginaire parallèle à l'autre branche du Y et vous trouvez facilement deux étoiles sur ce segment, il s'agit de 16 Vir (magnitude 4,95) et 17 Vir (magnitude 6,45). M61 se trouve presque exactement au milieu de ces deux étoiles. Facile, non ?

Détail de la constellation de la Vierge.

Avec un télescope de 10 pouces (254 mm), vous devriez voir cette supernova située sur un bord de la galaxie... La supernova a actuellement une magnitude de 13,4 et est donc visible dans des télescopes de plus de 200 mm. 

M61 est une galaxie vraiment proche, elle fait partie de l'amas de Virgo, située à seulement 55 millions d'années lumière. Cette étoile aurait donc explosé 10 millions d'années après la disparition des dinosaures sur Terre...
On ne sait pas encore de quel type de supernova il s'agit, pour cela il faudra mesurer le spectre de la lumière émise.  
Les supernovas ne sont pas des événements si rares, mais des supernovas relativement proches comme celle-ci sont un peu moins courantes, sans parler des supernovas qui ont lieu dans notre propre galaxie, dont la dernière en date remonte à plus de 400 ans... Alors ne boudons pas notre petit plaisir...

La Naissance des Etoiles Mieux Comprise

Une étoile naît au sein d’un nuage de gaz et de poussières dont elle va se composer. C’est aussi ce nuage de gaz et de poussières qui donnera naissance à tous les petits corps (solides ou gazeux) qui se retrouveront en orbite autour de la jeune étoile.

L’accumulation de matière qui va provoquer l’allumage de réactions de fusion nucléaire signant officiellement  la naissance de l’étoile a lieu par attraction gravitationnelle. Une fois cette petite masse devenue étoile, elle va continuer à absorber de la matière de son cocon gazeux pour grossir jusqu’à atteindre sa taille définitive, en formant autour d’elle un disque d’accrétion. Et ce processus de grossissement est extrêmement efficace, tellement efficace même qu’on ne comprend pas pourquoi. Depuis quelques années des astrophysiciens théoriciens ont émis l’idée que ce processus d’accrétion de matière par des étoiles jeunes pouvait être induit et accéléré par l’action de champs magnétiques. Mais malheureusement, jusqu’à aujourd’hui aucune observation directe de la présence de champs magnétiques au sein de disques d’accrétion d’étoiles jeunes n’avait pu être effectuée.

Disques de gaz et de poussières (en sombre) entourant des étoiles naissantes dans la nébuleuse d'Orion.
La poussière dans les disques, entourés par du gaz chaud de la nébuleuse les fait apparaître sombres dans le visible.
(Mark McCughrean (Max-Planck–Inst. Astron.); C. Robert O'Dell (Rice Univ.); NASA)

Vous l’aurez deviné, c’est désormais chose faite. Dans une étude parue en ligne il y a quelques jours dans la revue Nature, une équipe internationale animée par l’astronome Ian Stephens de l’Institute for Astrophysical Research à l’Université de Boston, montre comment ils sont parvenus à détecter des champs magnétiques dans de tels disques d’accrétion.

Le champ magnétique va agir presque exactement comme le ferait le phénomène de viscosité au sein du disque de matière, par un effet appelé l’instabilité rotationnelle magnétique. Si la matière dans le disque est confinée par des champs magnétiques, alors différentes régions du disque pourront être connectées entre elles par le biais du champ magnétique : des particules chargées (des ions) qui sont en rotation dans le disque à une certaine distance de l’étoile vont produire un champ magnétique, qui agira immédiatement sur toute particule chargée et donc sur le mouvement d’autres particules situées à une autre distance dans le disque, qui elles-mêmes produisent un champ magnétique par leur mouvement, qui se trouvera donc modifié indirectement par le mouvement des premières particules…

Un ion proche de l’étoile devrait se mouvoir plus vite sur son orbite qu’un ion plus éloigné, mais par cet effet d’instabilité rotationnelle magnétique, cet ion proche ralentira et inversement l’ion éloigné accélèrera, comme ce qui se passerait dans un milieu à forte viscosité, mais avec une efficacité bien meilleure.

Le réseau de radiotélescopes CARMA (CalTech, Berkeley University)

Pour mettre en évidence la présence de champs magnétiques, Stephens et ses collègues ont étudié la polarisation de la lumière qu’ils ont observée grâce au réseau de radiotélescopes californien Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy (CARMA). 

Le fait que la lumière provenant des grains de poussière présents dans les disques protoplanétaires peut se trouver polarisée par un champ magnétique vient du fait que ces grains sont le plus souvent non pas sphériques mais de forme oblongue et tournent sur eux-mêmes. Et comme ils ont de plus une charge électrique non-nulle, ils alignent alors leur grand-axe orthogonalement aux lignes de champ magnétique. La conséquence en est une polarisation de leur émission de lumière. 

Si tous les grains de poussière dans un disque d’accrétion avaient un alignement aléatoire les uns par rapport aux autres, on ne percevrait aucune polarisation dans leur émission totale, mais si la grande majorité d’entre eux sont alignés par la présence d’un champ magnétique, alors l’émission moyenne apparaît polarisée. Et c’est ce qu’ont observé Stephens et al. en scrutant la jeune étoile HL Tau. Les auteurs sont même parvenus à cartographier le disque d’accrétion de HL Tau en mesurant la polarisation dans différentes zones de ce disque.

Ce résultat est très intéressant car il permet d’avancer sur cette question épineuse du moteur des disques d’accrétion. Mais, comme tout beau résultat qui se respecte, il soulève aussi des questions : les modèles théoriques indiquent que les lignes de champs magnétiques devraient s’enrouler autour de l’étoile en suivant le mouvement de la matière formant le disque d’accrétion, or, Stephens et al. trouvent dans HL tau des champs magnétiques qui semblent tous pointer vers la même direction… Aucune réponse n’a pu être apportée pour expliquer cette observation.

De nouvelles investigations seront encore nécessaires sur ce champ de recherches, certes mieux compris, mais qui reste encore incomplet. L’utilisation du grand réseau de radiotélescopes ALMA devrait être très utile dans cette quête dans les années qui viennent.

Référence :

Spatially resolved magnetic field structure in the disk of a T Tauri star

I.Stephens et al.

Nature, Published online 22 October 2014

Les Indiens à l'assaut des Neutrinos

Il n'y a pas que les Américains, les Japonais, les Européens et les Chinois qui s'intéressent aux neutrinos, les Indiens aussi veulent tout savoir sur ces particules qui recèlent encore des mystères non résolus.

Pour étudier les neutrinos, il y a plusieurs possibilités : soit on essaye de détecter des neutrinos produits par le Soleil (des neutrinos solaires), ou bien des neutrinos produits par des réactions de rayons cosmiques dans l'atmosphère (des neutrinos atmosphériques), des neutrinos venant directement des confins de la galaxie ou d'autres galaxies (des neutrinos astrophysiques), ou enfin des neutrinos que l'on fabrique nous-même dans des réacteurs nucléaires et dans des accélérateurs de particules.

Vue schématique de l'implantation du
laboratoire souterrain INO
(INO collaboration)

Les neutrinos les plus nombreux et les plus faciles à observer sont sans conteste les neutrinos solaires et atmosphériques. Ce sont ces derniers que les physiciens Indiens ont décidé d'étudier de près dans le but avoué d'avancer dans la compréhension des paramètres encore méconnus des neutrinos, et notamment cette question si importante qu'on appelle le problème de la hiérarchie des masses.

Les neutrinos existent sous la forme de trois saveurs distinctes, électronique, muonique et tauique, reliées aux leptons électron, muon et tau. Ces trois types de neutrinos ont tous une masse, très faible, et différente l'une de l'autre. Mais nous ne savons toujours pas aujourd'hui quelles sont les valeurs de ces masses et surtout quel neutrino est le plus léger et le plus lourd. C'est cette question fondamentale qui est appelée le problème de la hiérarchie des masses en physique des neutrinos. Ce que nous connaissons actuellement des masses des différents neutrinos, ce sont leurs écarts de masse au carré. Nous savons également assez bien comment un neutrino d'une certaine saveur oscille pour se transformer en un neutrino d'une autre saveur au cours de son mouvement dans le vide ou la matière.

Les neutrinos atmosphériques sont principalement constitués de neutrinos de type muonique. Il existe plusieurs familles de détecteurs permettant d'observer ce genre de neutrinos malgré leur très faible probabilité d'interaction (rappelons qu'un neutrino est capable de traverser la Terre de part en part sans interagir) : les détecteurs Cherenkov à eau (comme SuperKamiokande au Japon, Antarès en Méditerranée ou IceCube en Antarctique), les détecteurs à argon liquide, et les détecteurs à aimants. Dans ces trois cas, ce n'est pas le neutrino qui est directement détecté, mais une particule secondaire issue d'une réaction du neutrino incident dans le détecteur, un muon chargé en l’occurrence.

Protoype de chambre à plaque résistive utilisée dans le détecteur ICAL (INO)

Les physiciens Indiens ont décidé de développer un détecteur du troisième type : un énorme aimant sous forme de plaques de fer magnétisées, intercalées par des plaques de détection. Pour cela, ils doivent construire un laboratoire souterrain exclusivement dédié (dans un premier temps) à ce détecteur. L'utilisation d'un laboratoire souterrain est ici cruciale pour protéger le détecteur de muons des milliards de muons provenant (comme les neutrinos recherchés) de la haute atmosphère et qui sont eux aussi assez pénétrants, mais heureusement bien moins que ne le sont les neutrinos, et forment de fait un signal parasite qu'il faut à tout prix éliminer.

Ce projet de laboratoire est appelé India-based Neutrino Observatory (INO) et est prévu d'être creusé sous une montagne du district de Theni dans l'état de Tamil Nadu, environ à 110 km de la ville de Madurai. C'est d'ailleurs à Madurai que seront installés les locaux opérationnels associés au laboratoire souterrain. INO bénéficiera ainsi d'une couverture rocheuse de 1200 m, soit un peu moins que le laboratoire souterrain français de Modane (1800 m de roche). INO sera accédé grâce à un tunnel spécialement creusé pour l'occasion, d'une longueur de 2,1 km, qui débouchera sur une cavité principale d'un volume très intéressant de 132 m x 26 m x 20 m, entourée de plusieurs cavités expérimentales plus petites qui pourront accueillir diverses petites expériences requérant elles-aussi un environnement à ultra-bas bruit de fond radioactif.

Le détecteur indien est nommé ICAL. C'est ce qu'on appelle dans le jargon un calorimètre. Il sera très imposant, composé de 50000 tonnes de plaques de fer magnétisées entrelacées avec des milliers de chambres à plaques résistives, toutes disposées horizontalement. Il sera à même de détecter des particules chargées et de produire leur trace. Le champ magnétique appliqué sur ce gigantesque aimant aura une valeur de 1,3 Tesla, considérable...

ICAL devrait ainsi permettre de déterminer à la fois la nature de la charge des muons détectés (positive ou négative, signant l'interaction d'un neutrino ou d'un antineutrino muonique), leur impulsion, et leur énergie, des données indispensables pour atteindre les paramètres cinématiques des neutrinos incidents, informations cruciales recherchées pour explorer le problème de la hiérarchie des masses des neutrinos.

Les membres de la collaboration INO lors d'une réunion en avril 2014 (INO Collaboration)

A l'heure actuelle, le design du détecteur est en cours grâce au développement de prototypes et à de nombreuses simulations des interactions particules-matière et permettent d'évaluer quelles pourront être les performances du détecteur. La collaboration INO est déja forte d'une cinquantaine de physiciens et physiciennes indiens répartis sur une quinzaine d'instituts et universités. 

Une durée de l'ordre de 15 ans de prise de données semble indispensable pour atteindre une sensibilité intéressante, à moins que les données de ICAL ne soient mises en commun avec d'autres expériences de détection de neutrinos, et pas forcément des neutrinos atmosphériques, mais pourquoi pas des neutrinos produits par l'homme, comme les neutrinos japonais issus d'accélérateur de l'expérience T2K, ou les neutrinos de réacteur français de l'expérience DoubleChooz ou chinois de Daya Bay.

La recherche sur les neutrinos ne connaît heureusement pas de frontières et l'arrivée d'un nouveau venu dans l'arène ne peut être qu'une bonne nouvelle.

Source : 

Next-generation atmospheric neutrino experiments

A. Kouchner

Physics of the Dark Universe,  4, 60-74 (2014)

IRIS, un Œil acéré sur la Surface du Soleil

Le Soleil est l'objet le plus imposant de notre système solaire, il  fournit la chaleur et la lumière qui permettent la vie. C'est une étoile banale, d'âge moyen, qui produit de l'énergie par fusion nucléaire de ses atomes d'hydrogène en atomes d'hélium. Mais le Soleil n'est pas qu'une simple boule de gaz rayonnante, il possède une atmosphère qui est très changeante et complexe.

Explosion sur la photosphère imagée
par IRIS le 9 mai 2014 (NASA/IRIS)

C'est dans l'optique d'étudier plus en détails l'interface entre la surface du Soleil (appelée la photosphère) et sa couronne que la sonde IRIS a été lancée par la NASA en juin 2013. Cette interface est le lieu où le plasma voit ses caractéristiques changer brutalement, passant d'opaque à transparent et où l'on passe d'un milieu dominé par le gaz (phénomènes hydrodynamiques) à un milieu dominé par des champs magnétiques (phénomènes magnétohydrodynamiques), .

Les premiers résultats d'IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph) viennent d'être publiés dans Science et font même l'objet de la couverture et d'un cahier spécial.

Ces premiers résultats très riches montrent une région tout sauf calme : des champs magnétiques tordus côtoient des sortes de petites explosions apparaissant à intervalles réguliers, des particules accélérées produisent un échauffement au sein de boucles de matière coronale, et des petits jets et boucles de plasma apparaissent à des températures plus froides... 

On peut par exemple mentionner la découverte de l'existence de boucles magnétiques de très courte durée de vie, la mise en évidence de zones de plasma ayant des vitesses opposées mais parallèles et adjacentes, ou encore l'observation pour la première fois de petits jets à très haute vitesse apparaissant fréquemment dans les trous coronaux et liés aux structures de convection des couches sous-jacentes, et qui sont suspectés de jouer un rôle important dans la production du vent solaire.

Toutes ces observations fournissent de nouvelles données très utiles pour bien comprendre comment se créent à la fois l'atmosphère solaire et le vent solaire. Le problème de l'échauffement coronal est notamment une énigme bien connue en astrophysique : lorsque l'on s'éloigne, vers l'extérieur, de la surface du Soleil, qui rappelons-le a une température de 6000 degrés, alors que l'on peut s'attendre logiquement à voir la température décroître, et bien au contraire, la température augmente jusqu'à plusieurs millions de degrés... Ce phénomène commence maintenant à être mieux compris, notamment grâce aux observations d'IRIS, qui montrent le rôle primordial que jouent les champs magnétiques dans ce processus.

Vue d'artiste de IRIS (NASA)

Ce sont aussi les champs magnétiques présents dans la zone d'interface de la surface du Soleil qui semblent être responsables des violentes éruptions qui peuvent libérer une énergie équivalente à plusieurs dizaines de millions de bombes nucléaires... IRIS permet d'étudier ces transferts d'énergie à travers l'atmosphère solaire.

Ce qui se déroule dans cette zone d'interface entre la photosphère et la couronne solaire est crucial à connaître car cela impacte directement l'héliosphère, cette zone d'influence du Soleil dans laquelle les planètes se meuvent. 

Pour effectuer ces délicates observations, IRIS est munie d'un télescope relativement modeste de 20 cm (plus petit que mon Dobson !), qui observe le Soleil dans l'ultra-violet proche et lointain, des longueurs d'ondes inaccessibles sur Terre du fait de leur absorption par l'atmosphère. Ce télescope est en fait un spectrographe, qui permet non pas de faire de simples images, mais surtout de décomposer le spectre lumineux pour en extraire toutes les informations précieuses fournissant des éléments clés sur les processus physiques en présence. Et ce n'est que récemment que des avancées informatiques dans le domaine de la magnétohydrodynamique radiative en 3D ont permis de pouvoir exploiter complètement les spectres acquis par IRIS.

Ces premiers résultats montrent vraiment la puissance de la spectroscopie pour comprendre les diverses sources d'énergie du Soleil, qui sont à l'origine de phénomènes qui peuvent nous toucher directement, comme le vent solaire (pour la santé de nos astronautes), les grosses éruptions (pour la santé de nos satellites) ou les éjections de masse coronale (pour la santé de nos centrales électriques et de nos économies).

Sources :
Looking closer at the Sun
Louise K. Harra
Science Vol. 346 no. 6207 pp. 305-306 (17 October 2014)

V. Hansteen et al., Science 346, 1255757 (17 October 2014)
B. De Pontieu et al., Science 346, 1255732 (17 October 2014)
H. Peter et al., Science 346, 1255726 (17 October 2014)
P. Testa et al., Science 346, 1255724 (17 October 2014)
H. Tian et al., Science 346, 1255711 (17 October 2014)

Siding Spring à l'Approche de Mars en temps réel

Possibles traces d'Axions en provenance du Soleil

Une équipe d'astronomes vient peut-être de mettre en évidence un signal indirect de l'existence de matière noire sous forme d'axions, et oui, encore eux... mais en provenance du Soleil cette fois... C'est en observant des rayons X dans la proximité de la Terre que cette équipe en est venu à cette conclusion.

Comme nous en avons déjà parlé ici encore très récemment, les axions, particules pour l'instant hypothétiques, peuvent, du fait de leur masse (certes très faible) et de leur quantité potentielle dans l'Univers, représenter une grande majorité de la matière noire. Ces axions auraient des propriétés physiques peu communes, comme celle de se transformer en photons en présence de champs magnétiques.

Le Soleil (SDO/NASA)

Le leader de cette équipe, George Fraser, est malheureusement décédé deux jours avant le soumission de leur article relatant ce qui pourrait être considéré comme la première pierre d'une découverte dans quelques années, aux Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, à paraître le 20 octobre. Un article de 67 pages contenant 39 figures!

Des axions pourraient être produits au cœur du Soleil, traverser facilement les couches internes de notre étoile, puis arriver à la périphérie de la Terre, où, par interaction avec le champ magnétique terrestre, elle se transformeraient en photons (gamme des rayons X). C'est en effet un excès de rayons X, complètement inexplicable qu'ont observé Fraser et ses collègues grâce au télescope spatial XMM-Newton. Inexplicable sauf à considérer la présence d'un flux d'axions en provenance du Soleil, qui permet de mettre une origine à ces photons X.

Les observations montrent que quand XMM-Newton passe à travers le champ magnétique terrestre, du côté exposé au Soleil, il mesure un flux de rayons X plus intense que lorsqu'il se trouve plus éloigné du champ magnétique. Or, en considérant toutes les sources possibles et imaginables connues de rayons X, ce flux atteignant XMM-Newton devrait être le même partout... Les chercheurs ont bien entendu évalué, selon eux, toutes les sources de rayons X potentielles, y compris des phénomènes un peu ésotériques comme des interactions du vent solaire avec le champ magnétique terrestre. Mais rien d'autre que l'hypothèse des axions ne permet d'expliquer correctement les observations.

Vue schématique du phénomène propose (University of Leicester)

Il y a un élément quelque peu surprenant toutefois, c'est que XMM-Newton détecte des rayons X même en étant dans une direction orthogonale à celle du Soleil, ce que les auteurs expliquent en montrant que les axions peuvent subir des diffusions avant de muter en photons. 

Mais des astrophysiciens, comme Peter Coles de l'université du Sussex, sont tout de même sceptiques face à ces observations, en estimant que l'excès de rayons X observé pourrait être dû à des effets inconnus de physique des plasmas. Il se trouve aussi que, d'après Garcia Irastorza, physicien de l'équipe du CERN Axion Solar Telescope, une autre expérience dédiée à la recherche d'axions produits par le Soleil, même si le signal est vraiment intriguant, l'explication avancée par les anglais impliquerait des propriétés physiques pour l'axion qui sont assez différentes de celles théorisées depuis plusieurs décennies.

Quoiqu'il en soit, il est encore trop tôt pour parler de découverte, ce que les astrophysiciens britanniques ne clament d'ailleurs pas. D'autres observations par d'autres types d'expériences sont nécessaires pour creuser ces observations. Et un autre télescope spatial pouvant détecter des rayons X, Chandra X-Ray Observatory, serait à même de faire le même type de mesures que XMM-Newton, avec quelques années d'analyses à prévoir...

Source : 

Potential solar axion signatures in X-ray observations with the XMM-Newton observatory

G. W. Fraser et al.

à paraître dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (octobre 2014)

preprint : http://arxiv.org/abs/1403.2436

Ces Galaxies qui ne fabriquent pas d'Etoiles

Les étoiles ne naissent ni dans les choux ni dans les roses, mais dans les galaxies. Ces naissances ont lieu par effondrement gravitationnel de nuages de gaz, essentiellement constitués d'hydrogène (atomique ou moléculaire) et d'hélium. Mais ces nuages comportent généralement aussi quelques traces de poussières faites d'atomes plus gros que l'hélium, que les astronomes ont la sale habitude d'appeler des "métaux". Oui, pour les astrophysiciens, l'oxygène est un métal, allez savoir...

La poussière dans ces nuages de gaz joue un rôle fondamental pour que les étoiles puissent y naître : elle empêche de trop grandes quantités de lumière des étoiles environnantes de pénétrer au cœur du nuage gazeux, ce qui permet alors aux molécules du nuage de pouvoir rayonner leur chaleur vers l'extérieur et se refroidir et donc diminuer la pression gazeuse... jusqu'au point où la force de gravitation devient plus grande que cette pression et provoque l'effondrement qui va finalement allumer l'étoile.

La galaxie naine irrégulière Sextans A
(ESA/NASA/JPL-Caltech/NRAO)

De telles formations d'étoiles arrivent souvent dans les grosses galaxies comme la nôtre. En revanche, on ne sait pas encore très bien comment ça se passe dans les toutes petites galaxies. Il se trouve que ces petites galaxies montrent une abondance très faible en "métaux" dans leurs nuages de gaz, ce qui indique que l'absorption de la lumière y est faible, laissant une pression trop grande pour un collapse gravitationnel. La formation d'étoile y est rendue difficile.

Ce qui fait la différence entre une grosse galaxie comme notre Voie Lactée et de petites galaxies comme Sextans A et ESO 146-G14, objets d'une étude parue cette semaine dans Nature, est leur vitesse de rotation. Notre galaxie a une vitesse de rotation d'environ 200 km/s. Cette grande vitesse de rotation fait que les atomes lourds produits d'explosions stellaires antérieures, se retrouvent piégés dans le milieu interstellaire, et finissent par constituer quelques pourcents de la masse des nuages de gaz de la galaxie. 

Mais les petites galaxies comme Sextans A et ESO 146-G14 tournent beaucoup moins vite : respectivement 23 km/s et 70 km/s. Il faut préciser qu'il existe un lien étroit entre la masse d'une galaxie et sa vitesse de rotation, ces deux petites galaxies sont des minuscules petites choses : 0,2% et 13% de la masse de la Voie Lactée.

Les auteurs de cette étude, Yong Shi et al. montrent que l'abondance en métaux de ces naines est 10 fois plus faible que celle que nous connaissons chez nous. La gravité dans leurs nuages de gaz est en fait si faible qu'elles ne devraient presque pas avoir d'étoiles jeunes. Mais elles en ont quand même quelques unes, et on peut les observer...

Pour déterminer la masse exacte des poussières et le taux de formation d'étoiles dans ces deux petites galaxies, les astrophysiciens chinois et américains menés par Yong Shi ont mobilisé pas moins de trois télescopes spatiaux : Herschel et Spitzer pour observer la poussière en infrarouge, et Galex, pour observer les (rares) étoiles naissantes dans l'ultra-violet.

Le résultat étonnant qu'ils obtiennent est qu'il y a beaucoup plus de poussières que prévu, mais aussi beaucoup plus de gaz, et ce gaz est majoritairement moléculaire (deux atomes d'hydrogène accrochés ensemble). Mais si l'efficacité de formation d'étoiles était similaire à celle de la Voie Lactée, avec tout ce gaz, il devrait y avoir un taux de formation d'étoiles 10 fois plus important que ce qui est observé ici. Une énigme aujourd'hui sans réponse.

Heureusement, ce champ de recherche sur les nuages de gaz moléculaire et les poussières entre actuellement dans une phase très intéressante avec le démarrage du grand radiotélescope interférométrique ALMA (Atacama Large Millimeter Array), installé dans les Andes chiliennes. L'un des objectifs de ALMA est justement d'observer les faibles rayonnements provenant de molécules comme le monoxyde de carbone, très présent dans les cocons d'étoiles.

Ces minuscules galaxies d'aujourd'hui ont certaines ressemblances avec les toutes premières galaxies qui existaient il y a 13 milliards d'années et qui ont pu devenir les belles galaxies comme la nôtre. Elles sont donc d'autant plus importantes à bien connaître.

source : 

Inefficient star formation in extremely metal poor galaxies

Yong Shi et al.

Nature 514, 335–338 (16 October 2014)

Trous Noirs et Coeurs Brisés

Cette chanson est la seule que je connaisse qui parle à la fois de trous noirs, de matière noire, d'expansion de l'univers, de gravitation, d'espace-temps et de prix Nobel... Le groupe s'appelle Drugstore, l'album Anatomy. 

Blackholes & Brokenhearts

I think I know what blackholes really are
A place where everybody falls apart
And I think I know dark matter intimately
It's just the stuff that's really hard to see

And as the universe's expanding
All around us, you and me
They say the end is coming
But I have to disagree
For in the end
It will stop then start again

I think I’ve cracked the meaning of this life
Just thank fuck we're all stuck in space and time
And I think there ain't no major masterplan
And life is just a pretty accident

And as the universe expanding..

I think the only problem I have left
Is gravity, oh what the hell is that?!
And I think it's sad when love affairs go wrong
But that's the topic of my other songs

And as the universe's expanding..

I think I know what blackholes really are
Honestly.
I think I deserve a Nobel prize...

L'Anomalie des Rayons Gamma des AGN, un Signe de l'Existence des Axions ?

Les noyaux actifs de galaxies (AGN), dont l'activité est engendrée par la présence d'un trou noir supermassif, ont la particularité de produire des jets de matière et de rayonnement. Ce rayonnement qui nous parvient se trouve sous forme de rayons gamma ultra énergétiques. Mais il existe une anomalie concernant ce rayonnement gamma dans la plupart des AGN...

La galaxie active M87 et son jet de particules
(HST/NASA/ESA)

L'intensité des flux de gamma ultra-énergétiques, tels que reconstruite en prenant en compte tout ce qui se passe entre leur émission à plusieurs milliards d'années-lumière d'ici et leur réception (indirecte) dans nos détecteurs à lumière Cherenkov, est beaucoup trop importante par rapport à ce que nos modèles théoriques des galaxies actives prédisent sur leur production.

L'élément le plus impactant produisant une atténuation des rayons gamma très énergétiques sur des très longues distances est ce qu'on appelle la lumière de fond extragalactique (ou EBL en anglais, pour extragalactic background light). Cette lumière de fond n'est autre que toute la lumière des étoiles des très nombreuses galaxies, qui se propage dans toutes les directions et qui baigne ainsi tout l'espace entre les galaxies, le milieu intergalactique. Cette lumière se retrouve à de très diverses longueurs d'ondes, allant de l'infra-rouge lointain à l'ultra-violet dur.

Et il se trouve que les photons gamma très énergétiques en provenance des jets des galaxies actives peuvent interagir avec cette lumière diffuse. Ils interagissent en produisant des annihilations avec les photons de l'EBL, surtout ceux situés dans l'infra-rouge. Plus l'énergie des photons gamma est élevée, plus ils se retrouvent absorbés par la lumière de fond extragalactique. 

Pour évaluer le flux de rayons gamma réellement produits par les AGN, on doit donc prendre en considération cet effet d'absorption par l'EBL dans le calcul. Il existe plusieurs modèles décrivant l'EBL et ses interactions avec les rayons gamma, et tous aujourd'hui tendent à montrer que les flux de rayons gamma en provenance des galaxies actives, une fois corrigés de cette interaction, sont incompatibles avec les processus physiques connus devant régir la production de rayons gamma au niveau des jets des galaxies actives. 

Il y a donc trois possibilités : soit notre compréhension de la production de photons gamma ultra-énergétique dans les AGN est partielle ou erronée, soit nos modèles décrivant la lumière de fond extragalactique sont incomplets, ou bien enfin, il existe un autre phénomène qui agit sur les photons gamma en contrebalançant l'absorption par l'EBL.

Les deux premières possibilités étant pour le moment au stade de l'impasse, des physiciens se penchent aujourd'hui sur la troisième. Il se trouve qu'il existe théoriquement une solution permettant justement de contrebalancer cet effet d'absorption par l'EBL. Cette solution s'appelle les axions. 

Principe de l'oscillation photons gamma / axion entre un AGN et la Terre

  (Sanchez-Conde et al. 2009)

Les axions sont des particules tout à fait hypothétiques aujourd'hui, qui ont été inventées dans les années 1970 pour expliquer certaines anomalies existant au niveau des composants des noyaux d'atomes (les quarks composant protons et neutrons). Et ces toutes petites particules (de très faible masse a priori) ont la capacité de se transformer en photons (et vice-versa) sous l'action d'un champ magnétique.

Si l'axion est bien réel, il se pourrait alors que les rayons gamma ultra-énergétique, au cours de leur voyage intergalactique, en rencontrant des champs magnétiques importants au voisinage des galaxies, subissent une oscillation (transformation) en axion durant un certaine durée, puis oscillent à nouveau en redevenant photon et ainsi de suite jusqu'à nous parvenir sur Terre sous forme de rayons gamma que nous détectons (ou bien d'axions, que nous ne détectons pas encore). Bien évidemment, durant leur trajet intergalactique sous forme d'axions, les photons gamma initiaux ne subissent plus l'atténuation par la lumière de fond diffuse, ce qui produit finalement un flux plus intense que prévu si on ne considérait pas cette oscillation photon-axion.

Paula Chadwick
(Durham University)

Dans un article paru le 9 octobre dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, les physiciens britanniques Jonathan Harris et Paula Chadwick, de l'université de Durham, proposent une telle solution sur la base solide du calcul des oscillations photons gamma-axions au cours du trajet intergalactique mais aussi à l’intérieur même de la source de production des photons gamma, le jet de la galaxie active, là où le champ magnétique est très intense. Ils posent comme hypothèse une masse d'axion de 10^-8 eV et une constante de couplage axion-photon de  10^-11 GeV^-1.

Ils concluent en évaluant quelle serait la probabilité de détecter une signature robuste pour un tel phénomène avec nos instruments actuels ou en projet comme le futur grand détecteur CTA (Cherenkov Telescope Array, voir la vidéo ci-dessous). D'après cette étude, une signature pourrait être observée en peu de temps avec le CTA en scrutant une galaxie active dénommée PKS 2155-304 qui s'avère la meilleure candidate.

L'existence de l'axion va évidemment bien au delà de la simple explication de l'anomalie du flux de rayons gamma des noyaux de galaxies actives. C'est aussi une piste très sérieuse pour l'explication de la masse manquante (ou matière noire), alternative à celle des particules supersymétriques (WIMPs ou neutralinos). Malgré une masse très petite, bien plus faible que celle des neutrinos et a fortiori à celle des WIMPs, leur nombre potentiel pourrait suffire à expliquer une bonne partie de la matière noire. 
Une découverte indirecte de signes du mécanisme d'oscillation entre photon gamma et axion par l'observation des AGN serait fondamentale. Le CTA, quant à lui, pourrait entrer en fonction au cours des vingt prochaines années...

Vues d'artistes du Cherenkov Telescope Array (G. Perez, SMM, IAC)

Source : 

Photon-axion mixing within the jets of active galactic nuclei and prospects for detection
J. Harris and P.M. Chadwick
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 10 (2014) 018