Le rayonnement mystérieux émis depuis des coins éloignés de la galaxie pourrait enfin être expliqué grâce aux efforts visant à recréer un état unique de la matière qui a vu le jour dans les premiers instants après le Big Bang.

Depuis 50 ans, les astronomes se sont interrogés sur d'étranges ondes radio et rayons gamma émis par les restes en rotation d'étoiles mortes appelées pulsars.

Les chercheurs pensent que ces énigmatiques, des impulsions de rayonnement hautement énergétiques sont produites par des rafales d'électrons et de leurs jumeaux antimatière, positrons. L'univers a été brièvement rempli de ces surchauffés, particules chargées électriquement dans les secondes qui ont suivi le Big Bang avant que toute l'antimatière ne disparaisse, emportant les positons avec lui. Mais les astrophysiciens pensent que les conditions nécessaires pour forger des positons peuvent encore exister dans les puissants champs électriques et magnétiques générés autour des pulsars.

"Ces champs sont si forts, et ils se tordent et se reconnectent si violemment, qu'ils appliquent essentiellement l'équation d'Einstein de E =mc ² et créer de la matière et de l'antimatière à partir d'énergie, " a déclaré le professeur Luis Silva de l'Instituto Superior Técnico de Lisbonne, Le Portugal. Ensemble, on pense que les électrons et les positons forment une forme de matière surchauffée connue sous le nom de plasma autour d'un pulsar.

Mais les conditions exactes nécessaires pour produire un plasma contenant des positons restent floues. Les scientifiques ne comprennent toujours pas non plus pourquoi les ondes radio émises par le plasma autour des pulsars ont des propriétés similaires à celles de la lumière dans un faisceau laser – une structure d'onde connue sous le nom de cohérence.

Découvrir, les chercheurs se tournent maintenant vers de puissantes simulations informatiques pour modéliser ce qui pourrait se passer. Autrefois, de telles simulations ont eu du mal à imiter le nombre impressionnant de particules générées autour des pulsars. Mais le professeur Silva et son équipe, avec des chercheurs de l'Université de Californie, Los Angeles aux États-Unis, ont adapté un modèle informatique appelé OSIRIS pour qu'il puisse fonctionner sur des supercalculateurs, lui permettant de suivre des milliards de particules simultanément.

Le modèle mis à jour, qui fait partie du projet InPairs, a identifié les conditions astrophysiques nécessaires pour que les pulsars génèrent des électrons et des positrons lorsque les champs magnétiques sont déchirés et rattachés à leurs voisins dans un processus connu sous le nom de reconnexion magnétique.

OSIRIS a également prédit que les rayons gamma libérés par les électrons et les positrons lorsqu'ils traversent un champ magnétique brilleront par poussées discontinues plutôt que par des faisceaux lisses.

Les découvertes ont ajouté du poids aux théories selon lesquelles les signaux énigmatiques provenant des pulsars sont produits par la destruction d'électrons lorsqu'ils se recombinent avec des positons dans les champs magnétiques autour de ces étoiles mortes.

Le professeur Silva utilise maintenant les données de ces simulations pour rechercher des signatures de sursauts similaires dans des observations astronomiques passées. Les motifs révélateurs révéleraient des détails sur la façon dont les champs magnétiques évoluent autour des pulsars, offrant de nouveaux indices sur ce qui se passe à l'intérieur d'eux. Cela permettra également de confirmer la validité du modèle OSIRIS pour les chercheurs essayant de créer de l'antimatière en laboratoire.

Lasers de sablage

Les connaissances acquises grâce aux simulations sont déjà utilisées pour aider à concevoir des expériences qui utiliseront des lasers de haute puissance pour imiter les énormes quantités d'énergie libérées par les pulsars. L'Extreme Light Infrastructure fera exploser des cibles pas plus larges qu'un cheveu humain avec des pétawatts de puissance laser. Dans le cadre de ce projet, des lasers sont en construction dans trois installations à travers l'Europe - à Măgurele en Roumanie, Szeged en Hongrie, et Prague en République tchèque. En cas de succès, les expériences pourraient créer des milliards de paires électron-positron.

"OSIRIS aide les chercheurs à optimiser les propriétés du laser pour créer de la matière et de l'antimatière comme le font les pulsars, " a déclaré le professeur Silva. " Le modèle offre une feuille de route pour les futures expériences. "

Mais certains tentent d'utiliser des plasmas matière-antimatière de manière encore plus contrôlée afin de pouvoir les étudier.

Professeur Thomas Sunn Pedersen, physicien appliqué à l'Institut Max Planck de physique des plasmas à Garching, Allemagne, utilise des plaques métalliques chargées pour confiner les positons aux côtés des électrons comme première étape vers la création d'un plasma matière-antimatière sur une table.

Bien que le professeur Sunn Pedersen travaille avec le faisceau de positons de basse énergie le plus intense au monde, concentrer suffisamment de particules pour enflammer un plasma matière-antimatière reste un défi. Les chercheurs utilisent des « cages » électromagnétiques générées sous vide pour confiner l'antimatière, mais ceux-ci nécessitent des ouvertures pour que les particules soient injectées à l'intérieur. Ces mêmes ouvertures permettent aux particules de s'échapper, cependant, rendant difficile la formation de suffisamment de particules pour qu'un plasma se forme.

Le professeur Sunn Pedersen a inventé un champ électromagnétique avec une « trappe » qui peut laisser entrer les positons avant de se refermer derrière eux. L'année dernière, la nouvelle conception a permis de multiplier par 20 le temps pendant lequel les particules d'antimatière sont restées confinées dans le champ, les maintenir en place pendant plus d'une seconde.

"Personne n'a jamais atteint cela dans un piège entièrement magnétique, " a déclaré le professeur Sunn Pedersen. "Nous avons prouvé que l'idée fonctionne."

Mais maintenir ces particules d'antimatière insaisissables en place n'est qu'une étape importante vers la création d'un plasma matière-antimatière en laboratoire. Dans le cadre du projet PAIRPLASMA, Le professeur Sunn Pedersen augmente maintenant la qualité du vide et génère le champ avec un anneau en lévitation pour confiner les positons pendant plus d'une minute. L'étude des propriétés des plasmas enflammés dans ces conditions offrira des informations précieuses aux champs voisins.

En juin, par exemple, Le professeur Sunn Pedersen a utilisé une variante de ce piège magnétique pour établir un nouveau record mondial de réactions de fusion nucléaire déclenchées dans des plasmas de matière conventionnelle.

« Des phénomènes collectifs comme la turbulence compliquent actuellement le contrôle des grands plasmas de fusion, ", a déclaré le professeur Sunn Pedersen. "Cela est dû en grande partie au fait que les ions sont beaucoup plus lourds que les électrons qu'ils contiennent."

Il espère qu'en produisant des plasmas électron-positon comme ceux créés par le Big Bang, il peut être possible d'éviter cette complication car les électrons et les positons ont exactement la même masse. S'ils peuvent être contrôlés, de tels plasmas pourraient aider à valider des modèles complexes et recréer les conditions autour des pulsars afin qu'ils puissent être étudiés de près en laboratoire pour la première fois.

En cas de succès, cela pourrait enfin donner aux astronomes les réponses qui les intriguent depuis si longtemps.

Qu'est-ce qu'un pulsar ?

Découverte pour la première fois par l'astronome Jocelyn Bell en 1967, les pulsars sont les hautement magnétisés, restes en rotation d'étoiles qui se sont effondrées à la fin de leur vie. Ils émettent des faisceaux de rayons gamma et d'ondes radio qui tournent un peu comme la lumière d'un phare. Vu de la Terre, cela donne l'impression que le rayonnement arrive par impulsions. On pense que les champs magnétiques intenses autour de ces étoiles mortes génèrent des nuages ​​de particules chargées appelées plasmas, qui à leur tour génèrent le rayonnement.