Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par l'Université d'Oxford, a réalisé une première mondiale en créant des « boules de feu » à plasma à l'aide de l'accélérateur Super Synchrotron de Protons du CERN à Genève, pour étudier la stabilité des jets de plasma émanant de blazars.
Les résultats, publiés dans PNASpourrait apporter un nouvel éclairage sur un mystère de longue date concernant l'univers’s les champs magnétiques cachés et les rayons gamma manquants.
Les Blazars sont des galaxies actives alimentées par des trous noirs supermassifs qui lancent des faisceaux étroits de particules et de rayonnements proches de la vitesse de la lumière vers la Terre. Ces jets produisent une émission intense de rayons gamma pouvant atteindre plusieurs téraélectronvolts, qui sont détectés par des télescopes au sol.
À mesure que ces rayons gamma TeV se propagent dans l’espace intergalactique, ils diffusent la faible lumière de fond des étoiles, créant des cascades de paires électron-positron. Les paires devraient ensuite se disperser sur le fond diffus cosmologique pour générer des rayons gamma de plus faible énergie, mais ceux-ci n'ont pas été capturés par les télescopes spatiaux à rayons gamma, tels que le satellite Fermi. Jusqu’à présent, la raison restait un mystère.
Une explication est que les paires sont déviées par de faibles champs magnétiques intergalactiques, éloignant les rayons gamma de faible énergie de notre champ de vision. Une autre hypothèse, issue de la physique des plasmas, est que les deux faisceaux eux-mêmes deviennent instables lorsqu'ils traversent la matière clairsemée qui se trouve entre les galaxies. Dans ce cas, de petites fluctuations dans les courants d'entraînement du faisceau génèrent des champs magnétiques, renforçant l'instabilité et dissipant potentiellement le faisceau.’l'énergie.
Pour tester ces théories, l'équipe de recherche, une collaboration entre l'Université d'Oxford et le Science and Technology Facilities Council’s (STFC) Installation laser centrale (CLF) — utilisée au CERN’L'installation HiRadMat (High-Radiation to Materials) permet de générer des paires électron-positron avec le super synchrotron à protons et de les envoyer à travers un plasma ambiant d'un mètre de long.
Cela a créé un analogue de laboratoire à l'échelle d'une cascade de paires entraînée par un blazar se propageant à travers le plasma intergalactique. En mesurant le profil du faisceau et les signatures de champ magnétique associées, les chercheurs ont directement examiné si les instabilités faisceau-plasma pouvaient perturber le jet.
Les résultats ont été frappants. Contrairement aux attentes, le faisceau paire est resté étroit et presque parallèle, avec un minimum de perturbations ou de champs magnétiques auto-générés. Lorsqu'on l'extrapole aux échelles astrophysiques, cela implique que les instabilités faisceau-plasma sont trop faibles pour expliquer les rayons gamma GeV manquants, ce qui conforte l'hypothèse selon laquelle le milieu intergalactique contient un champ magnétique susceptible d'être une relique de l'univers primitif.
Le professeur Gianluca Gregori (Département de physique de l'Université d'Oxford), chercheur principal, a déclaré : « Notre étude démontre comment les expériences en laboratoire peuvent aider à combler le fossé entre la théorie et l'observation, en améliorant notre compréhension des objets astrophysiques provenant de télescopes satellitaires et au sol.
Les résultats soulèvent cependant davantage de questions. On pense que l’univers primitif était extrêmement uniforme et on ne sait pas comment un champ magnétique a pu être généré au cours de cette phase primordiale. Selon les chercheurs, la réponse pourrait impliquer une nouvelle physique au-delà du modèle standard. L’espoir est que les installations à venir telles que l’Observatoire du télescope Cherenkov (CTAO) fourniront des données à plus haute résolution pour tester ces idées plus avant.
Le professeur Bob Bingham (STFC Central Laser Facility et Université de Strathclyde), co-chercheur, a noté : « Ces expériences démontrent comment l'astrophysique en laboratoire peut tester les théories de l'univers à haute énergie. En reproduisant les conditions relativistes du plasma en laboratoire, nous pouvons mesurer les processus qui façonnent l'évolution des jets cosmiques et mieux comprendre l'origine des champs magnétiques dans l'espace intergalactique.
Le professeur Subir Sarkar (Département de physique de l'Université d'Oxford), co-chercheur, a ajouté : « C'était très amusant de faire partie d'une expérience innovante comme celle-ci, qui ajoute une nouvelle dimension à la recherche de pointe menée au CERN. Nous espérons que notre résultat frappant suscitera l'intérêt de la communauté (astro)physique des plasmas pour les possibilités d'explorer des questions cosmiques fondamentales dans un laboratoire terrestre de physique des hautes énergies. »
