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Comprendre la matière dans ses états extrêmes
Astroparticules
Physique hadronique
Physique nucléaire
Au cœur des étoiles à neutrons ou des quasars, ou encore aux abords des trous noirs, la matière est soumise à rude épreuve. Les physiciens des astroparticules disposent d’outils de plus en plus variés pour étudier et comprendre ces phénomènes à l’œuvre. Il peuvent également compter sur les expériences conçues en laboratoire par les physiciens nucléaires pour simuler et reproduire ces comportements à l’échelle des noyaux.
Les astroparticules, messagers des enfers
En direct d’une fusion d’étoiles à neutrons
Les ondes gravitationnelles sont d’infimes déformations de l’espace-temps causées par des phénomènes « violents » comme la fusion de trous noirs ou d’étoiles à neutrons, ou encore l’effondrement gravitationnel d’une étoile. Leur étude est désormais possible depuis le développement récent de détecteurs capables de ressentir des déformations de l’espace inférieures au diamètre d’un noyau atomique. Avec ces détecteurs, une nouvelle manière de faire de la physique est née. Elle apporte des informations totalement inédites sur le comportement de la matière dans les conditions les plus extrêmes de l’Univers.

L’interféromètre Virgo détecte le passage des ondes gravitationnelles produites par des fusions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons
crédits : N. Baldocchi - Virgo Collaboration

Le télescope HESS perçoit la très faible lueur émise par l’interaction des rayons gamma de haute énergie avec l’atmosphère
crédits : CNRS/IN2P3, photo François Toussenel (LPNHE)

L’enfer a sa lumière, elle s’appelle gamma
Des photons gamma d’une énergie colossale nous parviennent des phénomènes les plus extrêmes de l’Univers. Ils sont un moyen privilégié pour cartographier et analyser l’Univers violent. Un grand nombre d’instruments ont été déployés ou sont en préparation pour les capter : au sol, avec les réseaux de télescopes HESS et CTA, dans l’espace avec les satellites Fermi, Integral et bientôt SVOM.
Des bolides venus de nulle part
L’atmosphère terrestre est frappée en continu par des noyaux atomiques pour certains porteurs d’une énergie prodigieuse. L’Observatoire Pierre Auger en Argentine, un ensemble de détecteurs disposés sur 3000 km2, a été spécialement créé pour les détecter et identifier ces noyaux et leur origine.
 

Représentation d’une gerbe de particules au dessus de l’observatoire Auger
crédits : A. Chantelauze, S. Saffi, L. Bret, Observatoire Pierre Auger photothèque IN2P3

Un pour tous, tous pour un
La détection d’événements avec les ondes gravitationnelles et les neutrinos a encouragé l’interconnexion de l’ensemble des moyens d’observation de l’Univers. A la moindre alerte, tous se tournent pour observer le même événement dans les ondes radio, le visible, les rayons X et gamma afin de combiner les observations. Cette discipline pleine de promesses s’appelle l’astronomie multi-messagers.
Des étoiles en laboratoire
Destins d’étoiles
Ce qui anime une étoile dans les premières étapes de sa vie, ce sont les réactions de fusion des noyaux de son cœur. Ces mêmes réactions sont reproduites en laboratoire en générant de très nombreuses collisions entre des noyaux à des énergies proches de celles que l’on rencontre dans les étoiles. À l’aide de détecteurs très précis, comme celui de l’expérience Stella, on apprend ainsi quelles réactions sont possibles et quelle est leur fréquence en fonction de la masse de l’étoile. Des indications précieuses pour expliquer très précisément l'évolution et le destin des étoiles.

Expérience STELLA d’étude des réactions de fusion par bombardement d’une cible avec un faisceau d’ions
crédits : Collaboration STELLA

Les détecteurs INDRA et FAZIA au GANIL détectent les fragments éjectés par la matière disloquée
crédits : Philippe Stroppa pour CEA/CNRS

Reproduire les conditions dantesques des étoiles à neutrons
Les étoiles à neutrons concentrent l’équivalent de 1 à 2 fois la masse du soleil dans un volume plus petit que le Mont-Blanc. Pour savoir comment la matière se comporte dans ces conditions de densité extrêmes, les physiciens et physiciennes nucléaires compriment les noyaux en générant des collisions à l’aide d’accélérateurs d’ions lourds. Les informations recueillies à l’aide de détecteurs de noyaux comme INDRA-FAZIA au GANIL (photo ci-contre) permettent d’affiner les modèles de compression et d’expansion de ces étoiles qui sont alors vérifiés par des observations astronomiques.

Le détecteur ALICE au CERN
crédits : CERN

Au cœur du cœur de l’étoile à neutrons
La matière est si comprimée au cœur des étoiles à neutrons, qu’il est possible que les nucléons (protons et neutrons) y soient eux même déstructurés. La matière serait alors dans un état particulier formé d’une soupe de quarks appelée plasma de quarks et de gluons. Cette éventualité est étudiée au CERN avec le LHC, par le détecteur ALICE (photo ci-contre), mais aussi CMS et LHCb.