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TOUT EN BAS! Ascenseur expressLe mystère cosmique de "sursaut gamma" s'éclaircit

Lentille gravitionnelle Abel 2218 (Photo Hubble)

Astrophysique. L'extraordinaire puissance des flashs s'expliquerait par le divorce entre la lumière et la matière.

Par SYLVESTRE HUET

Libération du vendredi 27 juillet 2001

La solution serait dans le trou noir. Publiée le 10 juillet dans The Astrophysical Journal (1) par quatre Italiens et un Français, cette proposition viendrait clore, si c'est la bonne, un mystère cosmique qui tenait depuis près de quarante ans, celui de l'origine des «sursauts gamma». A l'époque, au début des années 60, Américains et Russes mettent en orbite des espions pour surveiller les explosions thermonucléaires de l'adversaire. Et s'assurer qu'il respecte le traité interdisant les essais atmosphériques. Mission des satellites: enregistrer les flashs intenses de rayons gamma - les plus énergétiques qui puissent exister - déclenchés par le feu nucléaire.

Monstres. Des flashs furent effectivement repérés. Mais ils venaient du ciel. D'où? Il fallut attendre le milieu des années 90 pour en avoir une idée. En 1991, la Nasa satellisait l'observatoire Compton (Gamma Ray Observatory) qui a, durant près de dix ans, compté les «sursauteurs gamma», à raison d'un par jour en moyenne. Etranges objets puisqu'on observe un flash intense... et puis c'est tout. Au fur et à mesure que les années passent, Compton en dessine la carte. Surprise: ils sont uniformément répandus dans le ciel. Une telle distribution dans l'espace ne peut s'expliquer que par trois localisations possibles pour les objets émetteurs dont la distance demeure mystérieuse. Proches, ils entourent le système solaire. Lointains, ils entourent la galaxie. Très lointains... ils sont répartis dans tout l'Univers. Une fois éliminés les objets proches, qui se trahiraient par d'autres manifestations, les astrophysiciens ont dû faire appel aux monstres. Car si les objets émetteurs sont si loin, comment expliquer la puissance extraordinaire du flash gamma?

Pour la deuxième hypothèse, on peut encore s'en sortir avec des tremblements d'étoiles à neutrons, disposées autour de la galaxie. Pour la troisième, les astrophysiciens imaginent une vraie guerre des étoiles. Deux étoiles à neutrons d'une dizaine de kilomètres de diamètre mais aussi massives que le Soleil tournent l'une autour de l'autre et, petit à petit, se rapprochent. Soudain, le choc. Portée à des milliards de degrés, la matière se disloque. Durant un bref instant, elle devient une boule d'énergie pure. Explosive, elle s'étend dans l'espace à la vitesse de la lumière, émet le fameux «sursaut gamma», puis un mélange de rayons X, d'ultraviolets, de lumière visible. Un cataclysme cosmique qui se produirait une fois par jour dans l'Univers.

En 1997, un sursaut gamma survenu dans la constellation d'Orion et observé par une armada de télescopes spatiaux et terrestres a semblé donner raison à cette hypothèse. Mais d'extrême justesse, car, pour la première fois, on parvenait à observer la courbe de lumière qui suit le sursaut, ce qui permet de le situer dans l'espace. Or il était vraiment très loin, à des dizaines de millions d'années-lumière. Du coup, même l'idée la plus folle, deux étoiles à neutrons qui s'entrechoquent, semblait un peu faiblarde.

Dès lors, est revenue sur le tapis une idée émise dans les années 70. Alors jeunes chercheurs à Princeton (Etats-Unis), l'Italien Remo Ruffini et le Français Thibaut Damour s'étaient demandé ce qui se passe lors d'une implosion d'étoile - une supernova - suivie par la formation d'un trou noir. Un astre mystérieux, prédit par Einstein, dont les physiciens ne savent rien, sinon que la matière y est si concentrée qu'elle ne ressemble à rien de connu et que même la lumière ne peut s'en échapper.

Vide quantique. A l'époque, les deux théoriciens évoquent la formation, extrêmement fugace, d'un champ électrique surpuissant, lors de l'effondrement de l'étoile. Une idée soufflée par un physicien américain, Jim Wilson, qui participe au programme de bombes thermonucléaires du Pentagone et dispose de calculs numériques secrets sur cette physique de l'extrême. L'énergie formidable de ce champ fait «claquer le vide quantique», explique Thibaut Damour. Ce coup de fouet donne naissance à des paires de particules de matière et d'antimatière, des électrons et des positons, ainsi qu'à un flash de photons gamma. Ensuite, la course-poursuite entre lumière et matière engendre une boule de feu opaque qui s'étend pratiquement à la vitesse de la lumière. Brusquement, lumière et matière divorcent, et c'est le sursaut gamma. Une idée longtemps «refusée par les astrophysiciens réticents à cette idée de champ électrique», explique Thibaut Damour.

C'est pourtant cette idée qui vient de recevoir une confirmation, à l'aide d'un sursaut gamma particulièrement bien enregistré, survenu le 19 décembre 1999. Minutieusement observé par trois satellites - les télescopes Chandra et Rossi-XTE de la Nasa, et l'italo-hollandais Beppo-Sax -, il a fourni d'excellentes données aux théoriciens. Lesquels ont pu reconstituer son histoire, en recourant une nouvelle fois aux calculs des experts ès bombes nucléaires. Le sursaut provient d'une grosse étoile, 22 fois plus massive que le Soleil, qui s'est effondrée en un trou noir. Lors de ce processus violent, s'est formée une gigantesque impulsion électromagnétique, analogue à l'effet créé par une bombe thermonucléaire. Pratiquement instantané - il n'a duré que dix milliardièmes de milliardième de seconde -, c'est ce champ électrique qui serait à l'origine de la «boule de feu en expansion», explique Thibaut Damour, puis du flash de photons gamma capté par les télescopes. «L'accord théorie-expérience est excellent», selon Remo Ruffini, professeur à l'université La Sapienza, à Rome, le leader de l'équipe.

(1) Trois articles de The Astrophysical Journal Letters du 10 juillet 2001, signés de Remo Ruffini, Carlo Bianco, Federico Fraschetti, She-Sheng Xue (université de La Sapienza, à Rome) et de Pascal Chardonnet, du Laboratoire de physique d'Annecy-le-Vieux (CNRS).

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