Les trous noirs supermassifs fascinent depuis longtemps les astrophysiciens. De leur formation à leurs jets de particules ultra-énergétiques, ces objets restent parmi les énigmes les plus complexes de l’univers. Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs montre qu’il est possible d’étudier certains de ces phénomènes extrêmes… depuis la Terre, grâce au CERN et à ses expériences de physique des hautes énergies. Les détails de l’étude sont publiés dans les Actes de l’Académie nationale des sciences.

Les jets des trous noirs : un mystère lumineux

Les trous noirs supermassifs actifs, situés au cœur de nombreuses galaxies, peuvent projeter des jets de particules à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsque ces jets pointent directement vers la Terre, comme c’est le cas des blazars, ils émettent des rayons gamma extrêmement énergétiques. Selon la théorie, cette lumière devrait interagir avec le fond diffus cosmologique et générer des cascades de particules électron-positron, créant une émission secondaire de rayons gamma mille fois moins énergétiques. Curieusement, cette émission atténuée n’a jamais été observée par les astronomes.

Ce paradoxe a poussé les scientifiques à se demander : les jets perdent-ils leur énergie en raison de turbulences internes, ou le responsable est-il le champ magnétique intergalactique ?

Le laboratoire cosmique du CERN

Pour répondre à cette question, les chercheurs se sont tournés vers le Super Synchrotron à Protons du CERN, capable de générer des conditions similaires à celles rencontrées dans les jets cosmiques. L’expérience consistait à produire des faisceaux d’électrons et de positrons se propageant dans un plasma.

Les observations ont montré que ces faisceaux restaient étroits et quasi parallèles, avec une perturbation minimale. Ce résultat est crucial : il indique que le jet lui-même est stable sur de longues distances et que l’explication de l’absence de rayons gamma secondaires doit être cherchée ailleurs. Selon les chercheurs, le faible champ magnétique intergalactique, vestige possible de l’univers primordial, perturberait la cascade de particules et disperserait les rayons gamma au-delà de notre ligne de visée.

Crédit : Pablo J. Bilbao et Luís O. Silva (GoLP, Instituto Superior Tecnico, Lisbonne et Université d'Oxford).

Simulation d’une boule de feu de plasma, montrant « l’instabilité de filamentation du courant », qui jouerait un rôle clé dans la propagation et la dynamique des jets cosmiques.

Une passerelle entre astrophysique et laboratoire

Cette expérience illustre comment des phénomènes astronomiques peuvent être étudiés à l’échelle terrestre. « Notre étude démontre que les expériences en laboratoire peuvent combler le fossé entre la théorie et l’observation », explique le professeur Gianluca Gregori, principal auteur de l’étude. Les chercheurs montrent ainsi que des installations comme le CERN ne sont pas seulement utiles pour explorer la physique fondamentale, mais qu’elles offrent aussi une fenêtre sur les objets astrophysiques les plus extrêmes.

L’approche ouvre également la voie à des collaborations internationales entre physiciens des plasmas, astrophysiciens et experts en rayons gamma. L’objectif : reproduire de manière contrôlée les interactions complexes qui se déroulent sur des millions d’années-lumière et améliorer notre compréhension des forces cosmiques à l’œuvre.

Implications pour notre compréhension de l’univers

L’un des aspects les plus fascinants de cette recherche est son potentiel à révéler les propriétés du champ magnétique intergalactique, un composant mystérieux et diffus de l’univers. Comprendre ces champs permettrait non seulement d’expliquer le comportement des jets, mais aussi d’éclairer l’histoire cosmique de l’univers, depuis ses premiers instants jusqu’à la formation des structures à grande échelle.

Enfin, cette étude souligne l’importance de combiner observations astronomiques et expériences de laboratoire. Alors que les télescopes satellitaires et terrestres continuent de scruter le ciel, les expériences au CERN offrent une approche complémentaire pour tester des hypothèses que l’espace seul ne permettrait pas de confirmer.