Le chaos ordonné des trous noirs

La création d'un trou noir, c'est un peu le Graal des physiciens. Il comprend tous les plus grands mystères de la physique contemporaine, "toutes les conditions les plus bizarres sont réunies au même moment," selon Nicolas Produit, collaborateur scientifique au département d'Astronomie de l'UNIGE, interviewé par CQFD: ondes gravitationnelles, relativité générale, température et accélération de particules beaucoup plus énergétiques que celle atteintes au CERN.

Les mystérieux sursauts de rayons gamma

Le trou noir peut provenir de la collision de deux étoiles à neutrons ou lorsqu'une étoile super massive s’effondre sur elle-même. Cette naissance est caractérisée par une gigantesque bouffée de rayons gamma – de la lumière très énergétique – nommée sursaut de rayons gamma (en anglais, "Gamma Ray Burst" ou GRB). Sur Terre, seule la radioactivité peut émettre de tels rayons: ils sont tellement puissants qu'ils sont visibles de partout dans l'Univers. "Tout l'or du monde est créé pendant les sursauts gamma courts," précise Nicolas Produit.

Pour la première fois, le phénomène du sursaut gamma a été très bien analysé par l'instrument POLAR (lire encadré): il a pu observer cinquante-cinq sursauts gamma depuis le laboratoire spatial chinois Tiangong-2.

Le degré de polarisation des rayons gamma

Pour bien comprendre ces éclairs lumineux, les chercheurs ont mesuré une de leurs propriétés bien particulières: leur degré de polarisation. La lumière se propage sous forme d'ondes lumineuses – les photons; le degré de polarisation indique quelle est la direction d'oscillation de ces ondes à partir de leur source (un photon peut vibrer de haut en bas ou de droite à gauche). Si elles vibrent parallèlement les unes aux autres, le degré de polarisation est haut. Si elles vibrent dans toutes les directions et se croisent, le degré de polarisation est bas.

Les résultats que les chercheurs publient à présent montrent que le degré de polarisation des sursauts gamma est relativement bas. Certaines de leurs observations indiquent par ailleurs qu'il se produit une modification de l'angle de polarisation – c'est-à-dire de l'orientation de cette faible polarisation – pendant la durée de chaque sursaut gamma.

Ni complètement chaotiques, ni complètement organisés

Contrairement aux théories développées, les premiers résultats de POLAR révèlent que les sursauts gamma ne sont ni complètement chaotiques, ni complètement organisés, mais un mélange des deux: dans chaque tranche temporelle de deux secondes, les photons oscillent dans une même direction, soit verticale, soit horizontale. Mais la direction d'oscillation change avec le temps, créant un ensemble chaotique.

"On découvre avec surprise que les photons sont très polarisés dans chaque tranche, mais que chaque tranche oscille dans une direction différente," s’enthousiasme Xin Wu, professeur au Département de physique des particules de la Faculté des sciences de l'UNIGE. D'où une vision globale du sursaut gamma très chaotique et peu polarisée.

Des phases successives

Les chercheurs en déduisent 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. Toutefois, les astrophysiciens doivent encore déterminer la raison de ce phénomène.

Ces résultats, à lire dans la revue Nature Astronomy, ouvrent un nouveau pan pour la recherche et les théories des sursauts gamma.

Adrien Zerbini/Stéphanie Jaquet