En 2017, Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a joué un rôle central dans deux percées importantes survenues à seulement cinq semaines d'intervalle. Mais ce qui peut sembler être une chance extraordinaire est en réalité le produit de la recherche, une analyse, préparation et développement remontant à plus d'un siècle.

Le 17 août, 2017, Fermi a détecté la première lumière jamais vue d'une source d'ondes gravitationnelles - des ondulations dans l'espace-temps produites, dans cet événement, par la fusion de deux étoiles à neutrons superdenses. À peine cinq semaines plus tard, une seule particule de haute énergie découverte par l'observatoire IceCube Neutrino de la National Science Foundation (NSF) a été retracée jusqu'à une galaxie lointaine alimentée par un trou noir supermassif grâce à une éruption de rayons gamma observée par Fermi.

"Depuis des millénaires, la lumière était notre seule source d'information sur l'univers, " a déclaré Julie McEnery, le scientifique du projet Fermi au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. « Les récentes découvertes relient la lumière, notre coursier cosmique le plus connu, aux ondes gravitationnelles et aux particules comme les neutrinos, de nouveaux messagers délivrant différents types d'informations que nous commençons tout juste à explorer."

Racines profondes

Les origines de ces découvertes remontent à la recherche de pointe dès 1887. C'est alors que les physiciens Albert Michelson et Edward Morley ont mené une expérience pour détecter une substance, appelé l'éther, qui a été postulé comme un moyen permettant aux ondes lumineuses de voyager dans l'espace. Comme leur expérience l'a montré et beaucoup l'ont confirmé depuis, l'éther n'existe pas. Mais le résultat négatif s'est avéré être l'une des inspirations de la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein en 1905. Il a généralisé cela en une théorie à part entière de la gravité en 1915, celui qui a prédit l'existence d'ondes gravitationnelles.

Un siècle plus tard, le 14 septembre, 2015, l'observatoire d'ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) de la NSF a détecté ces vibrations spatio-temporelles pour la première fois alors que les ondes issues de la fusion de deux trous noirs atteignaient la Terre. Entre les deux est venu un flot constant d'avancées, y compris les lasers, une instrumentation améliorée et des ordinateurs et des logiciels de plus en plus puissants.

"Tout comme inventer les technologies de détection a pris des décennies, il en va de même du cadre théorique et informatique pour analyser et interpréter les observations multimessagers, " a déclaré Tyson Littenberg, le chercheur principal du groupe de recherche LIGO au Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, Alabama. "Nous avons effectué d'innombrables simulations pour tester de nouvelles idées et améliorer les algorithmes existants afin d'être prêts à tirer le meilleur parti des premières observations, et que les travaux de recherche et développement fondamentaux se poursuivent."

Jusqu'en 2005, il n'était même pas possible de simuler en détail ce qui se passe lorsqu'une paire de trous noirs en orbite fusionne. La percée est survenue lorsque des équipes distinctes de Goddard et de l'Université du Texas à Brownsville ont développé indépendamment de nouvelles méthodes de calcul qui ont surmonté tous les obstacles précédents. Une compréhension précise des signaux d'ondes gravitationnelles était une étape importante dans l'évolution des techniques conçues pour les détecter et les caractériser rapidement.

"Un autre développement fondamental a été les pipelines d'analyse hautement optimisés et l'infrastructure de technologie de l'information qui peuvent comparer le modèle théorique avec les données, reconnaître la présence d'un signal, calculer l'emplacement de la source sur le ciel et formater les informations d'une manière que le reste de la communauté astronomique pourrait utiliser, " a expliqué Tito Dal Canton, boursier du programme postdoctoral de la NASA et membre d'un groupe de recherche LIGO à Goddard dirigé par Jordan Camp.

Les astronomes doivent être informés dès que possible des événements de courte durée afin de pouvoir utiliser un large éventail de télescopes dans l'espace et au sol. En 1993, les scientifiques de Goddard et de Marshall ont commencé à développer un système automatisé pour distribuer les emplacements des sursauts gamma (GRB) - distants, des explosions puissantes qui durent généralement une minute ou moins - aux astronomes du monde entier en temps réel. Situé à Goddard et dirigé par le chercheur principal Scott Barthelmy, le Gamma-ray Coordinates Network/Transient Astronomy Network distribue désormais les alertes de nombreuses missions spatiales ainsi que des instruments au sol comme LIGO et IceCube.

Particules fantômes

Le fil conducteur historique des neutrinos a commencé avec le physicien français Henri Becquerel et sa découverte de la radioactivité en 1895. En 1930, après avoir étudié un processus radioactif appelé désintégration bêta, Wolfang Pauli a suggéré qu'il s'agissait probablement d'une nouvelle particule subatomique, plus tard surnommé le neutrino. Nous savons maintenant que les neutrinos possèdent peu de masse, voyager presque aussi vite que la lumière, se déclinent en trois variétés et sont parmi les particules les plus abondantes de l'univers. Mais parce qu'ils n'interagissent pas facilement avec d'autres matières, les neutrinos n'ont été découverts qu'en 1956.

En 1912, Victor Hess a découvert que les particules chargées, maintenant appelés rayons cosmiques, entrer continuellement dans l'atmosphère terrestre de toutes les directions, ce qui signifie que l'espace en est rempli. Lorsque les rayons cosmiques frappent les molécules d'air, la collision produit une pluie de particules, y compris des neutrinos, qui pleut dans l'atmosphère. La recherche de sources de neutrinos astronomiques impliquait de placer des expériences sous terre pour réduire les interférences des rayons cosmiques et de construire de très grands détecteurs pour déceler les signaux faibles des neutrinos timides.

Les neutrinos produits par des réactions nucléaires à l'intérieur du noyau solaire ont été détectés pour la première fois en 1968 grâce à une expérience utilisant 100, 000 gallons de liquide de nettoyage à sec au fond d'une mine d'or du Dakota du Sud. La découverte de la prochaine source de neutrinos astronomiques prendrait encore 19 ans. Supernova 1987A, une explosion stellaire dans une galaxie proche, reste la supernova la plus brillante et la plus proche observée depuis plus de 400 ans et est la première pour laquelle l'étoile d'origine a pu être identifiée sur des images pré-explosion. Les théoriciens prévoyaient que les neutrinos, qui échappent plus facilement à une étoile qui s'effondre que la lumière, serait le premier signal d'une nouvelle supernova. Et quelques heures avant que la lumière visible de 1987A n'arrive sur Terre, expériences au Japon, les États-Unis et la Russie ont détecté une brève rafale de neutrinos, faisant de la supernova la première source de neutrinos identifiée au-delà du système solaire.

« Si aucune de ces expériences ne fonctionnait à l'époque, le signal neutrino serait passé inaperçu, " dit Francis Halzen, le chercheur principal d'IceCube, qui est essentiellement un télescope à neutrinos construit dans un kilomètre cube de glace au pôle Sud. « Il ne suffit pas de développer la technologie, affiner les théories ou même construire un détecteur. Nous devons faire des observations aussi souvent que possible pour avoir les meilleures chances d'être bref, événements rares et scientifiquement intéressants. Fermi et IceCube fonctionnent en continu, faire des observations ininterrompues du ciel."

Lumière fantastique

Le troisième fil historique appartient aux rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique, découvert en 1900 par le physicien français Paul Villard. Lorsqu'un rayon gamma d'énergie suffisante interagit avec la matière, il fournit une démonstration parfaite de l'équation la plus célèbre d'Einstein, E=mc2, en se transformant instantanément en particules - un électron et son homologue antimatière, un positron. Inversement, écraser un électron et un positron ensemble et un rayon gamma en résulte.

Le satellite Explorer 11 de la NASA, lancé en 1961, détecté les premiers rayons gamma dans l'espace. En 1963, l'US Air Force a commencé à lancer une série de satellites dans le cadre du projet Vela. Ces satellites de plus en plus sophistiqués ont été conçus pour vérifier le respect d'un traité international interdisant les essais d'armes nucléaires dans l'espace ou dans l'atmosphère. Mais à partir de juillet 1967, les scientifiques se sont rendu compte que les satellites Vela voyaient de brefs événements de rayons gamma qui n'étaient clairement pas liés aux tests d'armes.

Ces explosions étaient des GRB, un phénomène entièrement nouveau désormais connu pour marquer la mort de certains types d'étoiles massives ou la fusion d'étoiles à neutrons en orbite. La NASA a exploré plus avant le ciel des rayons gamma avec l'observatoire des rayons gamma de Compton, qui a fonctionné de 1991 à 2000 et a enregistré des milliers de GRB. À partir de 1997, les observations critiques du satellite italo-néerlandais BeppoSAX ont prouvé que les GRB étaient situés bien au-delà de notre galaxie. Compton a été remplacé par l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA en 2004 et Fermi en 2008, missions qui continuent d'explorer le ciel à haute énergie et qui suivent les alertes LIGO et IceCube.

« Dans les champs d'observation, le hasard ne favorise que l'esprit préparé, " a noté Louis Pasteur, le chimiste et microbiologiste français, dans une conférence de 1854. Soutenu par des décennies de découvertes scientifiques et d'innovations technologiques, le domaine en plein essor de l'astronomie multimessager est de plus en plus préparé pour son prochain coup de chance.