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Trous noirs : Dune veut étudier leur naissance avec les neutrinos

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Que se passe-t-il lorsqu'une étoile s'effondre et donne un trou noir ? Quelle fraction des supernovae SN II donne naissance à des trous noirs ? Pour tenter de répondre à ces questions, un détecteur de neutrinos géant sera construit dans quelques années dans le cadre de la Deep Underground Neutrino Experiment (Dune).

La voûte céleste, telle que la verrait un observateur situé près d’un hypothétique trou noir devant le centre de notre galaxie. À cause de la déflexion de la lumière passant près du trou noir, l’image de la Voie lactée n’est plus rectiligne. De plus, les principales constellations sont très déformées. On peut tout de même reconnaître le Sagittaire et le Scorpion, en haut à gauche, et Alpha et Bêta du Centaure, en bas à droite. Une image secondaire de toute la voûte céleste se trouve enroulée dans un cercle à proximité immédiate de la silhouette du trou noir. © Alain Riazuelo, IAP

Les trous noirs existent-ils réellement ? Du point de vue de l'astrophysique, cela semble aujourd'hui très difficile d'en douter. Mais du point de vue de la physique théorique, répondre à cette question est un peu plus subtil car on s'interroge toujours sur l'occurrence d'un véritable horizon des événements pour un astre compact relativiste totalement, gravitationnellement effondré, ce qui est la définition même d'un trou noir. On sait que Stephen Hawking à proposer de redéfinir partiellement cette notion d'un horizon des événements, mais il se pose aussi la question de savoir si l'on peut se fier aux équations d'Einstein pour décrire un trou noir. Des variantes existent et il devrait être possible de les tester à ce sujet avec eLisa et le projet Event Horizon Telescope.

Une autre stratégie peut être mise en jeu pour tenter de déterminer si des trous noirs stellaires se forment bien à l'occasion de la fin de vie d'une étoile qui explose en supernova. Elle consiste à mesurer le flux de neutrinos produit par cet événement plus finement que ce que l'on a été capable d'accomplir jusqu'à présent. Une telle possibilité est ouverte par les progrès de l'astrophysique des neutrinos, aussi bien du point de vue théorique qu'observationnel. L'idée de base est très simple. Le flux de neutrinos doit subitement cesser lorsque le cœur de l'étoile en explosion devient un trou noir.

À gauche : le 24 février 1987, la supernova SN1987a brille de mille feux dans le Grand Nuage de Magellan. À droite : 24 heures plus tôt, un cliché de la même région pris dans le cadre d’un autre programme de recherche ne laisse rien présager du spectacle qui se prépare. © Anglo-Australian Observatory

Déjà au siècle dernier avec la célèbre explosion de la supernova SN 1987a, il avait été possible de tester nos modèles de la structure stellaire ainsi que des supernovae de type SN II en mesurant une brusque augmentation du flux de neutrinos dans les détecteurs japonais, états-uniens et russe Kamiokande II, Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), Baksan Neutrino Observatory (BNO) avec respectivement 11, 8 et 5 neutrinos le temps d'un éclair qui dura moins de 13 secondes. On estime que 99 % de l'énergie libérée par l'explosion l'a été sous la forme de 1058 neutrinos environ, environ 1 % l'est sous forme de l'énergie cinétique de l'enveloppe de gaz éjectée et 0,1 % sous forme de lumière.

Dune, un détecteur pour les neutrinos électroniques des supernovae

Aujourd'hui les physiciens travaillant dans le domaine des astroparticules envisagent donc de faire mieux et d'observer la naissance d'un trou noir à partir du flux de neutrinos accompagnant l'événement. Statistiquement, il y a de grandes chances qu'une supernova se produise dans la Voie lactée au cours du XXIe siècle. Un tel événement devrait aussi générer des ondes gravitationnelles que des détecteurs comme ceux de Ligo, Virgo et les générations qui lui succéderont, devraient être capables de détecter. On pense que cette détection pourrait être bavarde sur ce qui se passe quand une supernova explose et qu'elle forme un trou noir. Elle donnerait des compléments d'information sur celles obtenues en mesurant les caractéristiques du flux de neutrinos.

Extrait du documentaire Du Big Bang au vivant, associé au site du même nom, un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Jean-Pierre Luminet parle de la mort des étoiles massives, leur explosion en supernova et la formation de pulsars. © ECP Productions, YouTube

Rappelons tout de même que toutes les supernovae ne s'accompagnent pas de la naissance d'un trou noir. Pour autant qu'on le sache, ce n'est jamais le cas avec les SN Ia et pour les SN II, qui nécessitent une masse de 8 masses solaires au moins, il n'y a que les étoiles qui dépassent les 30 masses solaires qui pourraient finir parfois en trou noir. Dans la plupart des cas, les étoiles massives finissent donc sous forme d'étoile à neutrons. En s'effondrant gravitationnellement, elles forcent les électrons des atomes à se combiner avec les protons dans une réaction qui produit des neutrons et des neutrinos électroniques.

Ces neutrinos électroniques, le détecteur de l'expérience Deep Underground Neutrino Experiment (Dune) devrait pouvoir en détecter 10.000 si une supernova SN II se produisait dans la Voie lactée. Les précédents détecteurs mettaient surtout en évidence des antineutrinos accompagnant l'explosion, mais avec Dune, ce sont vraiment les neutrinos issus de la neutronisation de matière que l'on pourra observer. Le détecteur devrait entrer en service à l'horizon 2021 et il sera enterré dans la fameuse mine de Homestake dans l'État du Dakota du Sud. On peut donc dire que Dune fera partie de Dusel. À terme, le détecteur contiendra 40.000 tonnes d'argon liquide. Un prototype en contenant 400 tonnes devrait fonctionner au Cern vers 2018.