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L’expérience T2K de physique des particules au Japon pointe une différence de comportement entre matière et antimatière. Un précieux indice pour comprendre où est passée cette dernière...
Au Japon, le détecteur de Super-Kamiokande, tapissé de photomultiplicateurs, contient 50.000 tonnes d'eau pour détecter les neutrinos.
C’est un des mystères les plus profonds de la physique : où est passé l’antimatière ? Selon les théories cosmologiques, cette double de la matière aurait été produite au moment du Big Bang en même temps que la matière, en quantités égales. Pourtant aujourd’hui, la matière domine : galaxies, étoiles, planètes et nous-mêmes en sommes composés. Où est donc passé l’antimatière ? L’expérience T2K (prononcer T to K, pour Tokai to Kamio-kande), au Japon, à laquelle participent 500 scientifiques appartenant à 68 laboratoires de 12 pays, dont les résultats ont fait la Une de la revue Nature, vient de mettre en évidence une différence de comportement entre matière et antimatière pour les particules appelées neutrinos.
Une très faible masse
Au sein des expériences de physique, l’antimatière apparaît toujours en même temps que la matière. Même masse, mêmes propriétés, leur rencontre aboutit à une “annihilation” : les deux disparaissent en produisant de l’énergie. C’est pourquoi, en théorie, l’Univers devrait être vide, pure énergie ! Mais, notre existence même prouve que l’antimatière a disparu ou est maintenu éloignée de la matière. Pour comprendre ce mystère les chercheurs traquent la moindre différence de comportement entre matière et antimatière. Par exemple, entre neutrino et antineutrino qui interviennent justement dans l’expérience T2K. Ces particules élémentaires interagissent très peu avec la matière : chaque seconde notre corps est traversé par des millions de millions de neutrinos sans même que nous ressentions le moindre chatouillis. Il en existe trois sortes, trois “saveurs” — électronique, muonique et tauique —, chacune appartenant à une des familles de particules prévues par le modèle standard. Et depuis 1998, les physiciens ont découvert que les neutrinos oscillent : ce comportement quantique — appelé oscillation — se traduit par le fait que tout en se propageant, les neutrinos passent d’une saveur à l’autre. “Cela implique qu’ils ont une masse, mais elle doit être extrêmement petite, de sorte que nous n'avons pas encore réussi à la mesurer”, souligne Sara Bolognesi, du CEA, une des signataires de l’article. [...]
Une onde gravitationnelle issue de la fusion de deux trous noirs très différents
Par Azar Khalatbari le 24.04.2020 à 11h58
CREDIT: N. FISCHER, H. PFEIFFER, A. BUONANNO (MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS), SIMULATING EXTREME SPACETIMES (SXS) COLLABORATION
Les deux observatoires d'ondes gravitationnelles LIGO et VIRGO ont surpris la fusion de deux trous noirs, l'un presque quatre fois plus massif que l'autre. Une première qui permet d'enregistrer un subtil effet prédit par Einstein.
C'était il y a tout juste un an, le 12 avril 2019. Les antennes des trois observatoires d'ondes gravitationnelles –les deux interféromètres américains de LIGO et l'européen Virgo– avaient senti passer l'infime frémissement d'une onde gravitationnelle. Certes la première détection, en septembre 2015 d'une onde gravitationnelle, issue de la fusion de deux trous noirs, a été suivie de quelques dizaines d'évènements de ce type, mais jusque-là les astres à l'origine de ces ondes avaient sensiblement la même masse. Or, aujourd'hui, les spécialistes tiennent enfin un cas inédit : GW190412, c'est-à-dire l'onde gravitationnelle du 12 avril 2019 est issue de la fusion de deux astres de masse inégale, l'un ayant 30 masses solaires, l'autre 8 seulement. Ainsi, l'un des trous noirs était 3 à 4 fois plus massif que l'autre, et cela permet de déceler pour la première fois, certains détails de l'oscillation.
Messagers de trous noirs A peine deux semaines après le début de la reprise des enregistrements avec des performances augmentées des antennes, ce 12 avril 2019, les bras plurikilométriques des trois interféromètres ont vibré, signalant le passage d'un de ces frémissements de l'espace-temps qu'Albert Einstein avait prédit théoriquement il y a plus d'un siècle. Depuis 2015, les physiciens commencent à être habitués à ces signaux messagers de la fusion de deux trous noirs lointains, souvent des astres de masses équivalentes. Un évènement semblait sortir du lot, cependant : le 17 août 2017, les antennes ont enregistré la fusion de deux étoiles à neutrons, surprenant en même temps un signal électromagnétique dans plusieurs longueurs d'onde qui lui était associées. L'étude de ce seul évènement a permis de comprendre, entre autres, la formation des éléments chimiques lourds comme l'or, le platine.
Cas remarquable L'évènement du 12 avril est un autre cas remarquable : avec une telle différence de masse, un effet subtil devrait apparaître dans la forme d'onde, qui avait été prédit en son temps par Einstein : les vibrations de petites longueurs d'onde se trouvent amplifiées, ou encore les hautes fréquences du signal se trouvent amplifiées. Cet effet, désigné par "l'amplification des harmoniques d'ordre élevé " dans le jargon des physiciens, permet de connaître comment les deux astres sont orientés l'un par rapport à l'autre, et déterminer à quelle distance se situe ce système binaire, en l'occurrence 2,3 milliards d'années-lumière.
En attendant que d'autres signaux issus d'astres très différents tombent dans le filet des observatoires terrestres, les physiciens ont élaboré une simulation numérique qui reconstitue l'histoire de GW190412.
La chevelure de la comète interstellaire Borisov a été analysée avec le télescope Hubble et sa composition s'est finalement révélée atypique par rapport à celles des comètes nées dans le Système solaire. Son contenu en monoxyde de carbone laisse penser qu'elle s'est formée autour d'une étoile peu lumineuse, une naine rouge.
Comète 2l/Borisov : quel est cet objet interstellaire ? Dans ce petit film, nous vous racontons l’histoire de la comète interstellaire 2I/Borisov. Une histoire qui débute, pour nous Terriens, fin août 2019 quand nous l’avons croisée du regard pour la première fois, mais qui a commencé il y a des dizaines ou des centaines de millions d’années, voire même plus… car nous ne connaissons pas encore l'âge de cet objet venu d’ailleurs.
La nature exacte des comètes n'a commencé à être comprise que depuis quatre siècles. Le premier astronome qui a montré qu'il s'agissait de corps célestes voyageant bien au-delà de l'orbite lunaire a été le Bâtisseur du Ciel, Tycho Brahe. Mais, c'est à son futur collègue états-uniens, Fred Whipple, que l'on doit le premier modèle physique correct des comètes au début des années 1950. Elles y sont décrites comme des petits corps célestes glacés contenant de la matière primordiale datant des premiers temps de la formation du Système solaire et, pour partie d'entre elles, mises au congélateur dans la ceinture de Kuiper et le nuage d’Oort à des milliards de kilomètres du Soleil.
Les comètes pouvaient donc être vues comme des mémoires, fidèles et inchangées, des conditions régnant dans le disque protoplanétaire à l'origine des planètes du Système solaire. Enfin, contenant de l'eau et de la matière organique, elles pouvaient avoir joué un rôle dans l'apparition de la vie sur Terre en apportant, par leur bombardement intense il y a des milliards d'années, tous les éléments d'une chimie prébiotique. On comprend donc aisément que plusieurs missions destinées à l'étude des comètes, et surtout au retour sur Terre du matériau cométaire, aient été réalisées ces dernières années ; la plus spectaculaire étant la mission Rosetta.
Les comètes, la mémoire de la formation planétaire
Or, voilà qu'a été récemment découverte l'existence d'au moins une comète interstellaire formée dans un autre système planétaire et qui traverse en ce moment même notre Système solaire. Il s'agit de la comète 2I / Borisov baptisée en l'honneur de son découvreur à la fin de l'été dernier par le chasseur de comètes Gennadiy Borisov, en Crimée. Elle s'est approchée près du Soleil vers la fin du mois de décembre 2019 et elle s'en éloigne depuis.
Ce fut l'occasion d'étudier plus précisément sa composition à l'aide du télescope Hubble et du réseau de radiotélescope Alma. Il s'agissait en effet d'une opportunité extraordinaire pour faire progresser la cosmochimie dans ce qu'elle peut nous apprendre sur la formation des exoplanètes et donc aussi l'exobiologie. On pouvait tenter de mieux répondre à des questions concernant le caractère unique ou non de notre Système solaire et donc aussi sur la fréquence des conditions favorables à l'apparition de planètes, comme la Terre, pouvant héberger la vie.
Les astrophysiciens viennent de publier un article dans Nature Astronomy, mais que l'on peut consulter en accès libre sur arXiv, qui exposent les résultats d'observation faites dans le domaine des ultraviolets avec le télescope Hubble dont on va très bientôt fêter les 30 ans de bons et loyaux services dans l'espace. Dans la coma de 2I / Borisov, le halo à peu près sphérique entourant le noyau, est constitué de particules neutres de gaz et de poussières libérées sous forme de jets lorsque la comète se rapproche du soleil, provoquant la sublimation de ses glaces ; l'équipe internationale de chercheurs a découvert avec surprise que le monoxyde de carbone (CO) était au moins 50 % plus abondant que la glace d'eau -- une valeur de plus de trois fois supérieure à la moyenne de toute comète mesurée dans le Système solaire interne. Jusqu'à présent, 2I / Borisov semblait en fait similaire à celles connues de l'humanité.
« Même si la composition des comètes dans notre Système solaire peut varier considérablement d'une comète à l'autre, nous n'avons jamais vu une comète aussi proche du Soleil avec autant de monoxyde de carbone par rapport à l'eau », a ainsi expliqué Kathleen Mandt, planétologue au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory à Laurel, Maryland (USA). Membre de l'équipe derrière la publication sur 2I / Borisov, elle avait utilisé avec ses collègue le spectrographe Cosmic Origins de Hubble pour étudier la comète sur quatre périodes de décembre 2019 à janvier 2020.
Une comète née au-delà de la ligne des neiges d'une naine rouge
Or, il se trouve que le monoxyde de carbone est une molécule extrêmement volatile dont la glace se sublime dans le vide à très basses températures et donc à grande distance du rayonnement d'une étoile. Dans le cas du Système solaire, ce type de glace n'existe qu'à partir d'environ 18 milliards de kilomètres du Soleil -- près de trois fois la distance entre Pluton et le Soleil à son point le plus éloigné. L'eau, en revanche, résiste à la sublimation dans le cas d'une comète jusqu'à ce qu'elle se trouve entre Mars et le bord intérieur de la ceinture d'astéroïdes.
2I / Borisov doit donc avoir passé beaucoup de temps dans des régions très froides autour d'une étoile mais le fait qu'elle soit devenue un objet interstellaire implique qu'elle a dû passer non très loin d'une planète géante pour que des perturbations gravitationnelles importantes l'éjectent sur une orbite hyperbolique. Or, ce type de planète ne peut pas se former trop loin d'une étoile.
Il semble que la façon la plus simple et la plus plausible de résoudre la contradiction est de faire naître 2I / Borisov dans l'environnement d'une naine rouge -- ce qui avait déjà été proposé comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous. En effet, on sait que les systèmes planétaires sont plus compacts autour de ces astres moins lumineux que le Soleil et ont donc des régions froides relativement plus proches que celles qui seraient requises pour former un objet comme 2I / Borisov autour de notre étoile hôte. Avec environ la moitié de la masse du Soleil et un dixième de sa luminosité, la ligne de neige au-delà de laquelle de la glace de CO peut se former est en effet 18 fois plus près que dans notre Système solaire.
N'oublions pas aussi que les naines rouges sont les étoiles les plus nombreuses dans la Voie lactée, ce qui veut dire qu'une comète interstellaire a plus de chance de naître autour de ces astres qu'autour de naines jaunes ressemblant au Soleil. Pour Dennis Bodewits, le principal auteur de l'article de Nature Astronomy, astrophysicien à l'Université Auburn, en Alabama : « Les origines et la formation de nos propres comètes ne sont pas bien comprises. Nous espérons que la différence entre les comètes du Système solaire et les objets futurs comme celui-ci nous aidera à mieux étudier la formation et l'évolution des comètes ».
Trente ans après son lancement, Hubble continue d'émerveiller le public non scientifique et la communauté des astronomes professionnels. Les images anniversaire sont toujours très attendues, d'autant plus que certaines d'entre elles sont devenues iconiques, et cette année, la Nasa et l'ESA ont choisi un duo coloré pour nous montrer une partie du cycle de la vie des étoiles.
Les images acquises par le télescope spatial Hubble ont redéfini notre vision de l'Univers et certaines d'entre elles ont acquis le statut d'icône. Bien que cela ne puisse être que subjectif, la première image iconique d'Hubble est très certainement celle des piliers de la création, au centre de la nébuleuse de l'Aigle (M16), un cliché réalisé en 1995 et revisité en 2015 à l'occasion des 25 ans du télescope.
Cette année, pour commémorer trois décennies de découvertes scientifiques d'Hubble, l'équipe scientifique du télescope, la Nasa et l'ESA ont décidé de nous plonger à l'intérieur du Grand Nuage de Magellan et de nous dévoiler deux nébuleuses colorées, l'objet NGC 2014 et son voisin NGC 2020 qui forment une vaste région de formation d'étoiles. Cette image, souligne le communiqué de presse conjoint entre la Nasa et l'ESA, est « un des exemples les plus photogéniques des nombreuses pépinières stellaires turbulentes que le télescope a observé tout au long de ses 30 ans ». Ce duo coloré, surnommé « récif cosmique », révèle comment des étoiles massives et énergiques sculptent l'enveloppe de gaz et de poussière qui les entoure.
Par rapport à d'autres images acquises par le télescope spatial Hubble, cette image « iconique » des 30 ans peut paraître étonnamment moins artistique. Mais, gardons à l'esprit qu'Hubble est avant tout un outil professionnel et que si chaque année il consacre une petite partie de son précieux temps d'observation à prendre une image d'anniversaire spéciale, ces images sont avant tout destinées à la communauté des astronomes pour les étudier. Cette image des 30 ans est donc un très bon compromis entre intérêt médiatique et utilité scientifique, entre image scientifique et image de vulgarisation. « Ces images continuent de défier les scientifiques avec de nouvelles surprises passionnantes et de fasciner le public avec des observations toujours plus évocatrices. »
À ce jour, Hubble aura réalisé plus de 1,4 million d'observations et fourni des données que les astronomes du monde entier ont utilisées pour rédiger plus de 17.000 publications scientifiques à comité de lecture. Cela en fait l'un des observatoires spatiaux les plus prolifiques de l'histoire de l'astronomie. La quantité des données acquises et celles qui continueront de l'être d'ici 2025, date à laquelle Hubble sera désorbité (faute de carburant), est telle qu'elle va alimenter les futures recherches en astronomie pendant de nombreuses autres années encore.
Une image scientifique et de vulgarisation
Que nous dit ce cliché visuellement esthétique. Au-delà de cet aspect « beau », nécessaire pour intéresser le grand public, cette image n'est évidemment pas dénuée de tout intérêt scientifique, comme le suggère son examen attentif.
Bien que NGC 2014 et NGC 2020 semblent séparés dans cette image en lumière visible, ils font partie en réalité d'un même complexe de formation d'étoiles géantes, situé dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie satellite de la Voie lactée, à environ 163.000 années-lumière.
« NGC 2014, le plus grand des deux objets, abrite un amas de jeunes étoiles brillantes qui sculptent leur environnement en érodant le nuage de poussière et de gaz dans lequel elles se sont formées. » En revanche, la nébuleuse de couleur bleue, au-dessous de NGC 2014, a été façonnée par une étoile géante qui est environ 200.000 fois plus lumineuse et 15 fois plus massive que notre Soleil. C'est un exemple d'une classe rare d'étoiles appelées étoiles Wolf-Rayet qui pourraient exploser en supernova d'ici quelques millions d'années.
Deux scientifiques, le Français Fathi Namouni, astronome à l'Observatoire de la Côte d'Azur (France) et sa consœur le Dr Maria Helena Morais de l'Universidade Estadual Paulista (Brésil), annoncent avoir découvert, à l'aide d'une simulation numérique, la première population d'astéroïdes « venus d'ailleurs » qui aurait été capturée par notre Système solaire, il y a près de 4,5 milliards d'années !
Après la découverte des deux premiers objets interstellaires traversant le Système solaire, ‘Oumuamua en octobre 2017 et 2I/Borisov en août 2019, de nombreux astronomes étaient convaincus que ces objets sont plus courants qu'on ne le pense. Avec des moyens d'observations spatiaux et terrestres qui se perfectionnent à chaque changement de génération, on s'attend à découvrir bien plus de ces objets dans les années à venir. Aujourd'hui, Fathi Namouni, astronome à l'Observatoire de la Côte d'Azur (France) et sa consœur, le Dr Maria Helena Morais de l'Universidade Estadual Paulista (Brésil), annoncent la découverte de 19 astéroïdes d'origine extrasolaire présents dans le Système solaire depuis sa formation, il y a quelque 4,5 milliards d'années.
Leurs travaux, qui s'appuient sur des simulations numériques rendues possibles grâce au Mésocentre de calcul intensif SIGAMM de l'Observatoire de la Côte d'Azur, prouvent que ces 19 objets ont tous orbité autour d'une autre étoile avant de rejoindre notre système ! Ces travaux sont publiés dans la revue MNRAS, le 23 avril 2020.
Précisons que cette découverte porte sur l'origine de ces objets et non pas sur leur existence. Ces 19 astéroïdes ne sont pas inconnus des astronomes. Dix-sept appartiennent à la famille des Centaures et deux sont des objets transneptuniens. Ces deux catégories d'objets rassemblent probablement les corps les plus primitifs du Système solaire car ils contiennent le matériau thermiquement le moins perturbé. Quant aux Centaures, ils ont comme autre particularité, qui interroge, des orbites pour le moins surprenantes avec des excentricités modérées à élevées et pouvant être inclinées de quelques degrés par rapport au plan invariable du Système solaire à près de 180°, entraînant un mouvement rétrograde. L'origine de ces deux populations d'objets a toujours été un sujet de débat.
Comme le montre l'étude des chercheurs, ces 19 astéroïdes proviennent de l'extérieur du Système solaire. Ils auraient été capturés par le Soleil à un autre système planétaire en formation alors situé à proximité du Soleil et sa sphère d'influence gravitationnelle. À cette époque, celui-ci se trouvait alors dans un amas d'étoiles où la proximité donnait lieu à de fortes interactions gravitationnelles qui ont permis aux différents systèmes de capturer des astéroïdes d'un autre système. À la différence des astéroïdes 'Oumuamua et 2I/Borisov, qui ne sont que de passage dans notre système, ces 19 astéroïdes sont présents depuis presque la naissance du Système solaire.
Des astéroïdes bien au-delà de la sphère d’influence gravitationnelle du Soleil
Contrairement à 'Oumuamua et 2I/Borisov qui ont été découverts par des observations directes, ce sont des simulations numériques, conçues pour retracer l'histoire des premiers instants du Système solaire, qui ont permis aux deux astronomes de déterminer l'origine extrasolaire de ces 19 astéroïdes. Pour la retracer, les deux chercheurs ont mis au point une simulation très précise des orbites de ces astéroïdes permettant de « remonter le temps » et de retrouver leurs positions passées.
À l'époque de la formation du Système solaire, les simulations numériques indiquent que si les objets de notre système gravitaient déjà autour du Soleil il y a 4,5 milliards d'années dans le même plan du disque de poussières et de gaz dans lequel ils s'étaient formés, ces 19 Centaures devaient se trouver dans un plan perpendiculaire aux mouvements planétaires à cette époque, mais aussi qu'ils se trouvaient loin du disque à l'origine des astéroïdes de notre système.
Cette découverte de toute une population d'astéroïdes interstellaires est une rare occasion d'améliorer nos connaissances sur l'histoire de la formation du Système solaire sous un angle très inhabituel. À partir des spectres qui seront réalisés dans le futur, pour voir s'ils sont différents de ceux des astéroïdes de notre Système solaire, les astronomes pourront se faire une idée précise des différences de composition physique et chimique entre ces deux origines. Les astronomes souhaitent également comprendre le processus de capture de ces astéroïdes et le rôle qu'a pu avoir la matière interstellaire dans l'enrichissement chimique du Système solaire et façonner son évolution.
Futures cibles de la mission Comet Interceptor ?
Cette découverte renforce l'attrait d'une mission à destination de cette population d'astéroïdes, qui pourrait devenir une priorité. La mission Comet Interceptor de l'Agence spatiale européenne (ESA), sélectionnée en juin 2019, a pour particularité de ne pas avoir de cibles ! En effet, plutôt que d'attribuer une cible connue bien avant le lancement de la mission, l'ESA a décidé d'innover. Comet Interceptor sera positionnée au point de Lagrange 2 et se mettra en chasse dès qu'une comète à longue période, ou un objet interstellaire, entrera dans le Système solaire interne. Mais, comme le suggèrent, déjà, quelques astronomes, plutôt que d'attendre l'arrivée dans le Système solaire d'un nouveau 'Oumuamua, l'agence spatiale européenne devrait étudier la faisabilité technique d'attribuer comme cible à cette mission, un ou plusieurs de ces 19 astéroïdes extrasolaires. À suivre donc.
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