Les grandes énigmes de l’Univers cataclysmique L’étude des rayons cosmiques et d’une manière plus générale l’étude de toute radiation cosmique à très haute énergie (gammas, neutrinos) ou les ondes gravitationnelles, met en évidence un Univers violent associé à des phénomènes cataclysmiques. Même si dans notre expérience quotidienne ce type de phénomènes nous semble absent du ciel paisible auquel nous sommes habitués, les phénomènes cataclysmiques sont monnaie courante et même l’un des piliers de la structure de notre Univers. L’observation du ciel à travers une fenêtre à très haute énergie donne ainsi une nouvelle vision très riche et contribue à mieux cerner l’Univers. Mais tout est loin d’être compris. Voici par exemple quelques-uns des grands mystères actuels liés aux phénomènes très énergétiques et qui peuplent le Cosmos. . L’Univers sombre Tout ce que nous pouvons voir ou détecter indépendamment du type de particule employée pour le faire (protons, électrons, photons, …) ne représente qu’une toute petite partie du contenu de l’Univers. En terme d’énergie, 75% du contenu énergétique de l’Univers nous est totalement inconnu. Nous appelons cette énergie manquante, « Energie Noire ». Les 25% restants, sous forme de matière, sont principalement constituées par un type de matière interagissant gravitationnellement mais, à ce jour, totalement inobservable à travers une quelconque émission de particules ou rayonnements. Cette matière cachée représente 85% de la quantité de matière renfermée dans l’Univers. Nous l’appelons « Matière Noire ». Elle permettrait, entre autre, d’expliquer le mouvement anomal (non conforme à la loi de Newton) des étoiles au tour des galaxies. Le meilleur candidat pour la Matière Noire est constitué par des particules massives, reliques du Big Bang, interagissant très faiblement (WIMP – Weakly Interacting Massive Particules). Dans le contexte des théories de physique des particules, les meilleurs candidats sont les « Neutralinos ». L’annihilation entre 1 ces particules hypothétiques devrait produire un flux de neutrinos et/ou des gammas de haute énergie en particulier provenant des objets à fort champ gravitationnel (comme le centre du Soleil) où elles se concentrent. L’astrophysique à très haute énergie pourrait être d’une grande aide pour comprendre l’un des plus grands mystères auquel l’humanité n’a jamais été confrontée. FIGURE 14 : Crédit : physicsforme.wordpress.com FIGURE 15 : Credit : ESO / L. Calcada (Halo de matière noire au tour des galaxies permettrait d’expliquer la vitesse de rotation des Etoiles) FIGURE 16 : Credit : Sky & Telescope / Gregg Dinderman Matière / Antimatière Toutes les expériences réalisées sur Terre ainsi que toutes les informations venant de l’Univers montrent une écrasante domination de la matière sur l’antimatière. Or, les modèles du Big Bang qui essayent d’expliquer la genèse du Cosmos prévoient une même quantité de matière et d’antimatière créée au début de l’Univers. Avec la Matière Noire, l’asymétrie matière-antimatière est l’un de plus grands mystères de notre temps. Comment et pourquoi, l’équilibre entre ces deux types de matière a pu être brisé ? Pour cette question fondamentale, l’étude des rayons cosmiques, en particulier ceux observés avec des détecteurs placés en orbite, pourrait apporter des réponses clefs à cette importante question. Les Bulles de Fermi Lancé en 2008, le télescope spatial Fermi observe le ciel dans le domaine des rayons gamma, la partie la plus énergétique du spectre électromagnétique. Il 2 surveille ainsi les phénomènes énergétiques tels les jets des trous noirs supermassifs, les explosions d'étoiles massives et, de façon générale, tous les phénomènes impliquant l'accélération de particules à des vitesses proches de celle de la lumière. Notre Galaxie elle-même émet un rayonnement gamma diffus, engendré par l'interaction d'électrons accélérés qui sillonnent le milieu interstellaire. En analysant les données du télescope Fermi, il a été découvert récemment une nouvelle source gamma. Cette source correspond à deux immenses lobes aux bords bien définis, qui s'étendent sur 25 000 années-lumière de part et d'autre du plan galactique. La forme de ces « bulles » suggère qu'elles se sont formées à la suite d'un dégagement d'énergie massif et rapide depuis la région centrale de la galaxie. La source pourrait être un jet de matière émis par le trou noir super-massif qui y est situé. D’autres hypothèses sont également avancées pour essayer d’expliquer cette nouvelle et mystérieuse source reliée à une forte activité cataclysmique dans le cœur de notre Galaxie. FIGURE 17 : Credit : NASA, Goddard Space Flight Center Les Sursauts Gamma. Les Sursauts Gamma (Gamma Ray Bursts : GRB) sont des flashes de photons de haute énergie produits pendant un intervalle de temps très bref (entre quelques millisecondes jusqu'à quelques minutes) générés dans l’Univers lointain à des milliards d’années-lumière de nous. L’extrapolation des signaux reçus sur Terre, porté à l’origine du phénomène, montre que l’énergie générée dans les Sursauts Gamma équivaut à celle rayonnée par des milliers d’étoiles pendant des milliards d’années. Considérés comme provenant de l’effondrement vers un trou noir d’une étoile hyper-massive, l’origine du gigantesque flash gamma produit est encore mal comprise. L’observation de neutrinos de très haute énergie provenant des GRB permettrait dans ce contexte de mieux comprendre le fonctionnement du phénomène physique le plus énergétique après le Big Bang. 3 FIGURE 17 Crédit : National Science Foundation. (Les GRB sont l’étape ultime de l’évolution des étoiles hypermassives qui s’effondrent en un trou noir. FIGURE 18 :Crédit : NASA Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie Incident sur l’atmosphère Terrestre après un long voyage interstellaire voir intergalactique, les Rayons Cosmiques créent dans la haute atmosphère une gerbe cosmique comprenant des millions de particules secondaires. L’énergie de ces rayons cosmiques déduite de l’étude de ces gerbes dépasse des millions de fois celles des plus puissants accélérateurs de particules. Dans les cas les plus extrêmes, la particule primaire renferme une énergie équivalente à celle qui possède un objet de 30 kg lorsque, lancé depuis un mètre de hauteur, elle atteint le sol. L’interprétation des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie fait partie des grandes énigmes de la physique moderne. FIGURE 21 : Crédit ASPERA FIGURE 20 : Credit NSF / J. YANG 4