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L’astrophysique multimessager explore l’Univers autrement


​Utiliser différents signaux pour observer une explosion d’étoiles ou encore un trou noir supermassif : tel est l’objectif de l’astrophysique multimessager. Quels sont ces messagers ? Et quels avantages peut-on tirer de leur combinaison ? Réponses avec Fabian Schüssler, astrophysicien au département de physique des particules de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) du CEA.

Publié le 11 janvier 2022

L’astrophysique multimessager utilise la combinaison de plusieurs messagers pour faire des observations. Combien sont-ils ?

Il existe quatre sortes de messagers. Les premiers sont les rayonnements électromagnétiques, composés de photons. Ils comprennent la lumière visible, et s’étendent des rayons radio aux rayons X et gamma. Historiquement, ils ont aussi été les premiers à être observés - c’était alors ce qu’on appelle de l’astrophysique multi-longueurs d’ondes. L’idée était de combiner des rayonnements de différentes longueurs d’ondes, pour obtenir une image la plus complète possible d’un événement, par exemple une supernova, ou d’un objet, comme une étoile ou une galaxie.

Dans l’astrophysique multimessager, nous avons donc ajouté trois messagers, les rayons cosmiques, les neutrinos et les ondes gravitationnelles.

CrabNebula_MWL_PIA21474_ter.jpeg

Les ondes électromagnétiques émises par la nébuleuse du Crabe © NASA, ESA, G. Dubner (IAFE, CONICET-University of Buenos Aires) et al.; A. Loll et al.; T. Temim et al.; F. Seward et al.; VLA/NRAO/AUI/NSF; Chandra/CXC; Spitzer/JPL-Caltech; XMM-Newton/ESA; and Hubble/STScI

Pouvez-vous les définir ? 

Tout d’abord, les rayons cosmiques, découverts au début du XXè siècle. Ces derniers sont composés principalement de protons et ont pour particularité d’être extrêmement énergétiques et chargés électriquement. Ce dernier point fait qu’il est très compliqué de remonter à leur origine puisqu’ils sont souvent déviés dans les champs magnétiques présents à toutes les échelles de l’Univers (du système solaire à la voie lactée et l’espace intergalactique).

C’est le contraire des neutrinos, le troisième messager étudié. Cette particule neutre, donc non chargée, n’interagit en effet que très faiblement avec son environnement. C’est pourquoi les neutrinos peuvent sortir d’endroits très denses, tel les cœurs des galaxies, non observables par les rayonnements électromagnétiques, ce qui nous donne des renseignements précieux, autrement inaccessibles. C’est aussi pour cette raison qu’ils ont une limite : ils sont très difficiles à détecter. Pour cela, il faut justement que le neutrino interagisse et se transforme en muon, qui, se propageant dans l’eau plus vite que la lumière, émet un cône de lumière bleutée, la lumière Tcherenkov. C’est cette lumière que peuvent capter les 3 télescopes à neutrinos existants, situés dans la mer Méditerranée (ANTARES, KM3NeT), dans le lac Baikal (GVD) et enfin dans la glace du pôle Sud (IceCube). 

Enfin, le dernier messager est l’onde gravitationnelle, soit une déformation de l’espace-temps, qui se produit par exemple lors de la fusion de deux objets très massifs. Ce type d’onde est détecté notamment par les instruments Advanced Virgo, en Italie, Advanced LIGO aux Etats-Unis et KAGRA au Japon.

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Vue artistique d’une source astrophysique (ici le coeur d’une galaxie active) émettant plusieurs messagers comme les neutrinos et les rayons gamma (photons). La détection simultanée de ces particules très différentes nous renseigne sur les processus les plus violents de l’Univers. © IceCube, Nasa

Que permet d’observer la combinaison de ces quatre messagers ? 

Nous pouvons ainsi observer des phénomènes violents mais brefs, dits transitoires, tels que des étoiles qui explosent, la fusion de deux trous noirs supermassifs ou encore des étoiles à neutrons, qui émettent différents types de signaux. En combinant les signaux captés par les différents observatoires disponibles, on cherche à obtenir l’image la plus complète possible du phénomène. Le problème étant que la possibilité d’observer ce type de phénomène est limitée dans le temps - cela peut varier de quelques (milli-) secondes à quelques minutes voire quelques mois selon le phénomène et le messager. Et les observatoires ne peuvent pas toujours être disponibles. 

Remédier à ce problème de temps est l’un des objectifs de l’application que vous avez mise au point, Astro-COLIBRI.

En effet, l’application Astro- COLIBRI, que nous avons développée dans le cadre du projet européen AHEAD 2020, rassemble un maximum d’observations sur les phénomènes en cours pour aider les observatoires à prendre la décision ou non d’observer un phénomène. 

Elle est par ailleurs accessible aux amateurs, puisque certains de ces événements transitoires sont aussi visibles avec un télescope amateur ou même une paire de jumelles. Leurs observations nous sont souvent très utiles : fin août 2021, un astronome amateur britannique a ainsi observé une explosion de nova (« RS Ophiuchi »), une étoile qui devient extrêmement brillante (un phénomène qui arrive environ tous les 15 ans), ce qui a déclenché toute une campagne d’observation. 

Nous avons ainsi l’ambition de rendre notre application la plus accessible possible. Elle est consultable gratuitement sur le web et téléchargeable via une application Android et iOS. Grâce à un système de notifications qui alerte en temps réel des événements en cours - en donnant leur nature, mais aussi leurs coordonnées célestes, les utilisateurs savent directement où pointer leurs instruments d’observation. 

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L'interface de l'application visible sur smartphone. © CEA/Astro-COLIBRI


Pour le moment, nous avons recensé plus de 500 téléchargements depuis le lancement de l’application, en septembre dernier, ce qui est très encourageant. Notre application est déjà utilisée par les responsables des sources transitoires dans plusieurs observatoires (par exemple H.E.S.S., CTA/LST-1, SVOM, etc.), et nous invitons les astrophysiciens amateurs à faire de même, pour avoir la chance de suivre en temps réel des phénomènes astrophysiques rares, et tenter de faire progresser la science.


Infos pratiques 

Où télécharger gratuitement l’appli ? Sur les plateformes de téléchargement iOS et Android. La plateforme est aussi consultable sur le site Internet  https://astro-colibri.com


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