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De l'ordre dans le chaos des trous noirs

Représentation artistique d'un sursaut gamma.
Représentation artistique d'un sursaut gamma. Photo: NASA

Les photons expulsés lors de la création d'un trou noir paraissent désordonnés, mais ces particules élémentaires sont en fait organisées en fonction de leur tranche temporelle, ont découvert des astrophysiciens européens.

La naissance d’un monstre

Au moment de sa naissance, un trou noir émet pendant un bref instant une gigantesque poussée de lumière très énergétique sous forme de rayons gamma, appelée sursaut gamma.

Tous les plus grands concepts de la physique, plus mystérieux les uns que les autres, interviennent dans cet événement astronomique, c’est-à-dire les ondes gravitationnelles, la relativité générale, et la température et l'accélération de particules.

C’est pour mieux comprendre ces sursauts que des astrophysiciens européens et chinois ont construit l'instrument POLAR, envoyé en 2016 sur le laboratoire spatial chinois Tiangong-2.

En l’espace de six mois, POLAR a détecté 55 sursauts gamma. Les astrophysiciens ont analysé les oscillations de plusieurs milliers de photons provenant des 5 sursauts les plus brillants.

Représentation artistique de l'expérience POLAR. Agrandir l’imageReprésentation artistique de l'expérience POLAR installée sur laboratoire spatial chinois TiangGong-2. Photo : Université de Genève

Des résultats étonnants

Les premières données recueillies par POLAR révèlent que les sursauts gamma ne sont ni complètement chaotiques ni complètement organisés, mais qu'ils sont plutôt un mélange des deux.

Ainsi, dans chaque tranche temporelle, les photons oscillent dans le même sens, mais la direction d'oscillation change avec le temps, créant un ensemble chaotique.

Cette connaissance ouvre un nouvel angle à la recherche sur les sursauts gamma.

Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision ou qu'une étoile supermassive s'effondre sur elle-même, un trou noir se crée. Cette naissance est caractérisée par un sursaut gamma. Sur Terre, seule la radioactivité peut émettre de tels rayons.

Deux théories avancées

Ce phénomène physique oppose deux théories. La première considère que les photons qui constituent le sursaut gamma sont polarisés, qu'ils oscillent dans une même direction, soit verticale, soit horizontale. Si tel était le cas, la source des photons fournirait une direction privilégiée grâce à un champ magnétique et offrirait aux astronomes la possibilité de définir la géométrie et la taille du lieu de naissance du trou noir.

La seconde théorie considère, au contraire, que le précurseur du trou noir est chaotique et que les photons ne sont pas polarisés, oscillant dans n'importe quelle direction.

Il fallait maintenant réussir à prouver l’une ou l’autre de ces explications.

C’est précisément ce que le détecteur d'astroparticules POLAR a réussi à faire, menant à une observation surprenante.

Les photons sont très polarisés dans chaque tranche, mais chaque tranche oscille dans une direction différente!

Xin Wu, Université de Genève

« 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 », ajoute Merlin Kole, également de l’Université de Genève.

Ces résultats confortent une théorie globale décrivant le sursaut gamma comme très chaotique et peu polarisé.

Ces informations confrontent aussi les scientifiques à de nouveaux éléments qu'il faut intégrer dans leurs projections, partiellement remises en cause. Et il faudra probablement attendre la construction du POLAR-2, plus grand et plus précis, pour réussir à mieux cerner l’organisation chaotique des trous noirs.

Le détail de ces travaux est publié dans la revue Nature Astronomy (Nouvelle fenêtre) (en anglais).

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