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Cosmologie. Première production en laboratoire d'un mini sursaut gamma

Un sursaut gamma ou sursaut de rayons gamma (en anglais gamma-ray bursts ou GRB) est en astronomie une bouffée de photons gamma qui apparaît de manière aléatoire dans le ciel. Il est caractérisé par sa brièveté (de quelques secondes à quelques minutes) et par la forme particulière de sa courbe de lumière.

GRB. Vue d'artiste

On fait l'hypothèse qu'un GRB est généré dans la majorité des cas par l'effondrement gravitationnel d'une étoile géante aboutissant soit à la formation d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons (GRB longs) soit à la fusion de deux étoiles à neutrons binaires (GRB courts). Ce phénomène déclenche l'émission d'un faisceau étroit et symétrique de matière atteignant des vitesses ultra-relativistes. Les sursauts gamma, observés au rythme moyen d'un sursaut par jour, ont leurs sources dans d'autres galaxies et constituent les événements les plus lumineux de l'Univers. Ils ont été découverts accidentellement en 1967 et ne commencent à être expliqués qu'au milieu des années 1990.

C'est un tel phénomène que pensent avoir recréé en laboratoire une équipe de chercheurs qui viennent de publier sur ce sujet un article dans Physical Review Letters référencé ci-dessous.

Comme l'observation précise et la compréhension d'un sursaut Gamma dans l'univers est encore très difficile, voire impossible, ils ont décidé de reproduire un des processus supposés être à l'origine d'un GRB. Les rayonnements émis par un Trou noir, à l'origine des GRB, seraient principalement composés d'électrons de matière et de leurs correspondants, des positrons d'anti-matière 1). Les positrons sont identiques aux électrons, mais ils ont une charge électrique opposée. Ces rayonnements généreraient de forts champs magnétiques. La rotation des particules autour de ces champs donnerait lieu à de puissantes explosions de rayons gamma. Mais comme indiqué, il est très difficile de vérifier cette hypothèse dans le cosmos.

L'équipe internationale qui a publié l'article cité explique avoir expérimenté l'idée consistant à reproduire le phénomène donnant naissance aux GRB à partir d'une petite source de rayonnements électrons-positrons, afin d'observer comment ces rayonnements évoluent spontanément. Les chercheurs ont utilisé pour cela le plus puissant laser existant à ce jour, le laser Gemini, hébergé par le Rutherford Appleton Laboratory en Grande Bretagne. Voir http://www.stfc.ac.uk/research/lasers-and-plasma-physics/central-laser-facility/

Ils ont pu en dirigeant ce laser sur une cible appropriée, obtenir pendant un temps ultra-court des copies réduites des rayonnements émis par un Trou noir. Ils ont ainsi observé pour la première fois l'auto-génération des champs magnétiques correspondants. Ceci leur a permis de vérifier expérimentalement la pertinence des principales hypothèses théoriques permettant de comprendre la production des GRB à partir des Trous noirs.

L'expérience devrait avoir aussi aussi une grande importance théorique. La matière composant la Terre est faite essentiellement d'atomes, comportant un noyau positif entouré de nuages d'électrons négatifs. C'est la dynamique des électrons, beaucoup plus légers que les noyaux, qui est à la source de la lumière ou des champs magnétiques. Par contre un rayon composé d'un électron et d'un positron, tous deux de masse identique, donne un aperçu sur ce que serait un monde constitué de matière et d'anti-matière. De nombreuses expériences très innovantes pourraient donc être conduites en utilisant le modèle proposé pour expliquer la génération des GRB à partir des Trous noirs.

Référence

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.185002

Abstract
We report on the first experimental observation of a current-driven instability developing in a quasineutral matter-antimatter beam. Strong magnetic fields (≥1  T) are measured, via means of a proton radiography technique, after the propagation of a neutral electron-positron beam through a background electron-ion plasma. The experimentally determined equipartition parameter of εB≈10−3is typical of values inferred from models of astrophysical gamma-ray bursts, in which the relativistic flows are also expected to be pair dominated. The data, supported by particle-in-cell simulations and simple analytical estimates, indicate that these magnetic fields persist in the background plasma for thousands of inverse plasma frequencies. The existence of such long-lived magnetic fields can be related to analog astrophysical systems, such as those prevalent in lepton-dominated jets.

Note

1) L'anti-matière et la matière s'annihilent spontanément. Néanmoins, avec certains précautions, il est possible de conserver pendant un certain temps des particules d'anti-matière. Le CERN réalise de nombreux expériences intéressant l'anti-matière. Voir https://home.cern/fr/topics/antimatter

 

20/01/2018
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