Enigmes

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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.
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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

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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

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surveille ainsi les phénomènes énergétiques tels les jets des trous noirs super-
massifs, 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.

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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