Lors de la formation d'un trou noir, un éclat lumineux de lumière très énergétique sous forme de rayons gamma est produit, ces événements sont appelés sursauts gamma. La physique à l'origine de ce phénomène comprend bon nombre des domaines les moins compris de la physique d'aujourd'hui :la gravité générale, températures extrêmes et accélération des particules bien au-delà de l'énergie des accélérateurs de particules les plus puissants de la Terre.

Afin d'analyser ces sursauts gamma, des chercheurs de l'Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l'Institut Paul Scherrer (PSI) de Villigen, La Suisse, l'Institut de physique des hautes énergies de Pékin et le Centre national de recherche nucléaire de Swierk en Pologne, construit l'instrument POLAR pour analyser les sursauts gamma, qui a été envoyé en 2016 au laboratoire spatial chinois Tiangong-2. Contrairement aux théories dominantes, les premiers résultats de POLAR révèlent que les photons de haute énergie issus des sursauts gamma ne sont ni complètement chaotiques, ni complètement organisé, mais un mélange des deux :dans de courts intervalles de temps, les photons oscillent dans la même direction, mais la direction d'oscillation change avec le temps. Ces résultats inattendus sont rapportés dans un numéro récent de la revue Astronomie de la nature .

Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision ou qu'une étoile super-massive s'effondre sur elle-même, un trou noir est créé. Cette naissance s'accompagne d'un sursaut gamma (GRB) – une longueur d'onde lumineuse très énergétique comme celle émise par les sources radioactives.

L'environnement de naissance du trou noir est-il organisé ou chaotique ?

Comment et où les rayons gamma sont produits est encore un mystère, et il y a deux écoles de pensée sur leur origine. Le premier prédit que les photons des GRB sont polarisés, ce qui signifie que la majorité d'entre eux oscillent dans le même sens. Si tel était le cas, la source des photons serait probablement un champ magnétique fort et bien organisé formé lors des violentes conséquences de la production du trou noir. Une deuxième théorie suggère que les photons ne sont pas polarisés, impliquant un environnement d'émission plus chaotique. Mais comment vérifier cela ?

"Nos équipes internationales ont construit le premier détecteur puissant et dédié, appelé POLAIRE, capable de mesurer la polarisation des rayons gamma des GRB. Cet instrument nous permet d'en savoir plus sur leur provenance, " dit Xin Wu, professeur au Département de physique nucléaire et des particules de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Son fonctionnement est simple. C'est un carré de 50 x 50 cm ² constitué de 1600 barres scintillatrices dans lesquelles les rayons gamma entrent en collision avec les atomes qui composent ces barres. Lorsqu'un photon entre en collision dans une barre, nous pouvons le mesurer. Après, il peut produire un deuxième photon qui peut provoquer une deuxième collision visible. "Si les photons sont polarisés, on observe une dépendance directionnelle entre les positions d'impact des photons, poursuit Nicolas Produit, chercheur au Département d'Astronomie de la Faculté des Sciences de l'UNIGE. Au contraire, s'il n'y a pas de polarisation, le deuxième photon résultant de la première collision partira dans une direction totalement aléatoire."

Ordre dans le chaos

En six mois, POLAR a détecté 55 sursauts gamma, et le scientifique a analysé la polarisation des rayons gamma des cinq plus brillants. Les résultats sont surprenants, Pour dire le moins. "Lorsque nous analysons la polarisation d'un sursaut gamma dans son ensemble, on voit tout au plus une très faible polarisation, ce qui semble clairement favoriser plusieurs théories, " dit Merlin Kole, chercheur au Département de physique nucléaire et des particules de la Faculté des sciences de l'UNIGE et l'un des principaux auteurs de l'article.

Face à ce premier résultat, les scientifiques ont examiné plus en détail un sursaut de rayons gamma très puissant de neuf secondes et l'ont découpé en intervalles de temps de deux secondes. "Là, nous avons découvert avec surprise que, au contraire, les photons sont polarisés dans chaque tranche, mais le sens d'oscillation est différent dans chaque tranche, " dit Xin Wu. C'est ce changement de direction qui fait que le GRB complet apparaît comme très chaotique et non polarisé. " Les résultats montrent que lorsque l'explosion a lieu, quelque chose se produit qui fait que les photons sont émis avec une direction de polarisation différente. Qu'est-ce que cela pourrait être, on ne sait vraiment pas, " dit Kole.

Ces premiers résultats confrontent les théoriciens à de nouvelles informations, les obligeant à produire des prévisions plus détaillées. « Nous voulons maintenant construire POLAR-2, qui sera plus gros et plus précis. Avec ça, nous pouvons creuser plus profondément dans ces processus chaotiques pour découvrir la source des rayons gamma et percer les mystères de ces processus physiques hautement énergétiques, " explique Nicolas Produit.