La collaboration Fireball du CERN a généré un puissant faisceau de plasma électron-positon pour étudier les jets de trous noirs, faisant progresser considérablement notre compréhension de ces phénomènes cosmiques et étayant les simulations avec des données expérimentales. Crédit : Issues.fr.com
La collaboration Fireball a utilisé CERNL'installation HiRadMat de l'Université de Californie à San Francisco vise à produire un analogue des jets de matière et d'antimatière qui sortent de certains trous noirs et étoiles à neutrons.
Dans l'installation HiRadMat du CERN, des chercheurs ont créé un complexe électron-positon à haute densité plasma faisceau qui imite les jets astrophysiques des trous noirs, offrant de nouvelles perspectives sur les phénomènes spatiaux. Ces expériences aident à valider les modèles théoriques avec des données du monde réel, ouvrant la voie à une compréhension plus approfondie des événements cosmiques tels que trou noir jets.
Plongez au cœur d'une galaxie active et vous découvrirez un trou noir supermassif engloutissant la matière de son environnement. Dans environ une galaxie sur dix, le trou noir projette également des jets de matière à une vitesse proche de celle de la lumière. On pense que ces jets de trous noirs relativistes contiennent, entre autres composants, un plasma de paires d'électrons et de leurs équivalents en antimatière, les positons.
On pense que ce plasma électron-positon relativiste façonne la dynamique et le bilan énergétique du trou noir et de son environnement. Mais on ne sait pas exactement comment cela se produit, car il est difficile à la fois de mesurer le plasma avec des observations astronomiques et de le simuler avec des programmes informatiques.
Dans un article récemment publié dans Nature CommunicationsCharles Arrowsmith et ses collègues de la collaboration Fireball expliquent comment ils ont utilisé l'installation HiRadMat du CERN pour produire un faisceau relativiste de plasma électron-positon qui permet d'étudier ce milieu en détail dans des expériences en laboratoire.
Galaxie active Centaurus A, avec des jets de plasma sortant de son trou noir central. Crédits : ESO/WFI (optique), MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al. (submillimétrique), NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al. (rayons X)
Reproduction en laboratoire de phénomènes astrophysiques
Il existe plusieurs façons de créer des faisceaux relativistes de paires électron-positron dans différents types de laboratoires, notamment dans des installations laser de haute puissance. Cependant, aucune des méthodes existantes ne permet de produire le nombre de paires électron-positron nécessaire pour entretenir un plasma – un état de la matière dans lequel les particules constitutives sont très faiblement connectées. Sans entretenir le plasma, les chercheurs ne peuvent pas étudier comment ces analogues des jets de trous noirs évoluent lorsqu’ils se déplacent dans un équivalent de laboratoire du milieu interstellaire. Cette étude est essentielle pour expliquer les observations des télescopes terrestres et spatiaux.
Arrowsmith et ses collègues ont trouvé un moyen de répondre à ces exigences dans l'installation HiRadMat du CERN. Leur approche consistait à extraire en l'espace d'une nanoseconde seulement trois cents milliards de protons du Super Synchrotron à Protons du Laboratoire et à les envoyer sur une cible de graphite et de tantale, dans laquelle une cascade d'interactions de particules génère un nombre considérable de paires électron-positon.
Implications pour la recherche astrophysique
En mesurant le faisceau électron-positon relativiste résultant avec un ensemble d’instruments et en comparant le résultat avec des simulations informatiques sophistiquées, Arrowsmith et ses collègues ont montré que le nombre de paires électron-positon dans le faisceau – plus de dix mille milliards – est dix à cent fois plus élevé que ce qui était précédemment atteint, dépassant pour la première fois le nombre nécessaire pour maintenir l’état de plasma.
« On pense que les plasmas électron-positron jouent un rôle fondamental dans les jets astrophysiques, mais les simulations informatiques de ces plasmas et jets n’ont jamais été testées en laboratoire », explique Arrowsmith. « Des expériences en laboratoire sont nécessaires pour valider les simulations, car ce qui semble être une simplification raisonnable des calculs impliqués dans les simulations peut parfois conduire à des conclusions radicalement différentes. »
Le résultat est le premier d’une série d’expériences que la collaboration Fireball mène à HiRadMat.
Orientations futures de l'astrophysique de laboratoire
« L’idée de base de ces expériences est de reproduire en laboratoire la microphysique de phénomènes astrophysiques tels que les jets provenant des trous noirs et des étoiles à neutrons », explique Gianluca Gregori, co-auteur de l’étude et chercheur principal. « Ce que nous savons de ces phénomènes provient presque exclusivement d’observations astronomiques et de simulations informatiques, mais les télescopes ne peuvent pas vraiment sonder la microphysique et les simulations impliquent des approximations. Les expériences de laboratoire telles que celles-ci constituent un pont entre ces deux approches. »
L'étape suivante des recherches d'Arrowsmith et de ses collègues sur le plasma au HiRadMat consiste à faire se propager ces puissants jets à travers un plasma d'un mètre de long et à observer comment l'interaction entre eux génère des champs magnétiques qui accélèrent les particules dans les jets – l'une des plus grandes énigmes de l'astrophysique des hautes énergies.
« Les expériences Fireball sont l'un des derniers ajouts au portefeuille d'HiRadMat », déclare Alice Goillot, responsable des opérations de l'installation. « Nous sommes impatients de continuer à reproduire ces phénomènes rares en utilisant les propriétés uniques du complexe d'accélérateurs du CERN. »
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Mini-Univers en laboratoire : Créer des « boules de feu cosmiques » sur Terre.
Ce projet a reçu un financement du programme de recherche et d'innovation Horizon Europe de l'Union européenne au titre de l'accord de subvention n° 101057511 (EURO-LABS).
