Des boules de feu de plasma pour comprendre les aimants cosmiques.
Un jet de particules aussi extrême que le souffle d’un trou noir… en laboratoire. Aussi fou que cela puisse paraitre c’est exactement ce qu’une équipe de chercheurs internationaux, menée par l’université d’Oxford, vient de réaliser au CERN.
Pour la première fois au monde, l’équipe a ainsi généré des « boules de feu » de plasma grâce à l’accélérateur Super Proton Synchrotron et à la plateforme HiRadMat, située à Genève dans le but de résoudre un mystère astrophysique vieux de plusieurs décennies. Celui des rayons gamma manquants que nos télescopes attendent, mais ne voient jamais.
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Des trous noirs, des jets et des rayons qui s’évaporent
Un blazar est une galaxie dont le cœur est animé par un trou noir supermassif qui avale la matière environnante et éjecte deux jets de particules à des vitesses proches de celle de la lumière. Ce qui rend ces objets si spectaculaires, c’est que l’un de ces jets pointe directement vers la Terre, amplifiant sa luminosité par effet Doppler. Le résultat : une source d’énergie monstrueuse qui brille dans toutes les longueurs d’onde, des ondes radio jusqu’aux rayons gamma, les plus énergétiques de l’Univers. Ces rayons gamma, pourtant, posent une énigme : il en manque une partie. Les modèles théoriques prédisent plus de rayonnement que ce que les télescopes comme Fermi détectent réellement. Les chercheurs soupçonnent que ces photons ultra-énergétiques interagissent avec la lumière diffuse du cosmos ou se transforment en paires de particules-électrons avant d’atteindre la Terre, créant ce qu’on appelle des « cascades de paires ».
Ce mystère des rayons gamma manquants reste l’un des grands défis de l’astrophysique moderne, que des expériences comme Fireball au CERN tentent aujourd’hui de reproduire en laboratoire pour mieux comprendre ces « phares cosmiques » qui défient encore la physique.
Deux hypothèses pour un même silence
Face à ce trou noir d’information, deux grandes explications se faisaient concurrence.
La première : le champ magnétique intergalactique, vestige de l’univers primordial, serait suffisamment fort pour dévier les paires de particules, les empêchant ainsi d’envoyer leurs rayons gamma vers la Terre.
La seconde : ces fameuses paires électron-positron deviendraient instables en se propageant, générant des champs magnétiques internes qui dissiperaient leur énergie avant même que les rayons gamma ne soient produits.
Reproduire un jet cosmique, à l’échelle d’un mètre
Pour tester ces théories, les chercheurs ont conçu un jet miniature de plasma « relativiste » (qui atteignent des vitesses proches de la vitesse de la lumière), dans un dispositif unique au monde. Le principe : injecter des paires électron-positron dans un tube d’un mètre de plasma, puis observer ce qui se passe à l’intérieur.
Grâce à des mesures fines du profil du jet et des champs magnétiques générés, ils ont pu tester directement la théorie de l’instabilité.
Et là surprise : le jet reste stable. Pas de turbulence. Pas de dissipation d’énergie. Les paires de particules restent alignées, comme si rien ne pouvait les perturber.
Un indice vers un champ magnétique cosmique originel
En extrapolant ces résultats à l’échelle intergalactique, une conclusion s’impose : les instabilités plasma ne suffisent pas à expliquer l’absence des rayons gamma.
La piste la plus crédible reste celle d’un champ magnétique fossile, faible mais omniprésent, né dans les toutes premières secondes de l’univers. Ce champ serait capable de dévier les particules de leur trajectoire et d’expliquer pourquoi nous ne recevons pas les rayons attendus.
Une réponse et de nouvelles questions
Cette expérience donne du crédit à l’idée que le cosmos est rempli de lignes de champ invisibles, traçant une structure magnétique aussi ancienne que l’univers lui-même.
Seulement voilà. Si ce champ existe vraiment, comment a-t-il pu émerger dans un univers jeune, encore uniforme et sans structure ?
C’est ici que la physique actuelle atteint ses limites. Les chercheurs suggèrent que la réponse pourrait nécessiter une physique au-delà du modèle standard. Peut-être un phénomène encore inconnu, né de l’inflation cosmique ou d’une interaction primordiale oubliée.
Les installations futures, comme l’observatoire CTAO, permettront de tester cette hypothèse avec plus de précision. D’ici là, l’idée que des jets de trous noirs miniatures puissent nous parler du Big Bang aura déjà changé notre regard sur l’invisible.
Source :
Gregori, G., et al. (2025). Suppression of pair beam instabilities in a laboratory analogue of blazar pair cascades. (en français : « Suppression des instabilités de faisceaux de paires dans un analogue de laboratoire des cascades de paires de blazars »). Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(45). https://doi.org/10.1073/pnas.2513365122
Crédit image : Université d’Oxford
