Comment avons-nous découvert les ondes gravitationnelles des «étoiles à neutrons»?

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Les rumeurs circulent depuis des semaines que des scientifiques ont détecté des ondes gravitationnelles – de minuscules ondulations dans l’espace et dans le temps – d’une source autre que la collision de trous noirs.

Maintenant, nous pouvons enfin confirmer que nous avons observé de telles ondes produites par la collision violente de deux étoiles massives et ultra-denses situées à plus de 100 mètres-années-lumière de la Terre.

La découverte a été faite le 17 août par le réseau mondial d’interféromètres à ondes gravitationnelles avancés – comprenant les deux détecteurs LIGO aux États-Unis et leur cousin européen, Virgo, en Italie. C’est extrêmement important, notamment parce que cela aide à résoudre certains grands mystères de l’astrophysique, y compris la cause des éclairs de lumière connus sous le nom de « sursauts gamma » et peut-être même l’origine des éléments lourds tels que l’or.

En tant que membre de la collaboration scientifique LIGO, j’ai immédiatement été ravi de voir les données initiales. Et la période qui a suivi a été la plus intense et la plus difficile, mais aussi incroyablement excitante, deux mois de ma carrière.

L’annonce intervient quelques semaines à peine après que trois scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique pour leur travail de base menant à la découverte des ondes gravitationnelles, annoncé pour la première fois en février 2016. Depuis, la détection des ondes gravitationnelles – avec quatre autres événements de ce type détectés . Mais pour autant que nous sachions, la collision de trous noirs offre purement une fenêtre sur le côté obscur de l’univers. Nous n’avons pas pu enregistrer la lumière de ces événements avec d’autres instruments.

Mais GW170817 – le titre accrocheur de l’événement du 17 août – change tout cela. C’est parce que la source des vagues cette fois était deux « étoiles à neutrons » – des restes stellaires incroyablement denses de la taille d’une ville, chacun pesant plus que le soleil. Ces étoiles ont tourné autour l’une de l’autre à une fraction importante de la vitesse de la lumière avant de fusionner dans une collision cataclysmique que nous avons maintenant vue secouer le tissu même de l’espace et du temps.

Mystères résolus

Le concerto cosmique ne faisait que commencer. Les astronomes soupçonnent depuis longtemps que la fusion de deux étoiles à neutrons pourrait être l’ouverture d’un bref sursaut gamma – un éclair intense de lumière gamma qui libère plus d’énergie en une fraction de seconde que le soleil ne produira en dix milliards d’années . Pendant plusieurs décennies, nous avons observé ces sursauts gamma, mais sans savoir avec certitude ce qui les causait.

Cependant, seulement 1,7 seconde après l’arrivée des ondes gravitationnelles de GW170817 sur la Terre, le satellite Fermi de la NASA a observé une brève rafale de rayons gamma dans la même région du ciel. LIGO et Virgo avaient trouvé le pistolet fumant, et le lien entre les collisions d’étoiles à neutrons et les éclats de rayons gamma courts était finalement et clairement établi.

La combinaison des observations par ondes gravitationnelles et par rayons gamma a permis de déterminer la position de l’explosion cosmique à moins de 30 degrés carrés sur le ciel, soit environ 100 fois la taille de la pleine lune. Ceci, à son tour, a permis à tout un barrage de télescopes astronomiques sensibles à la lumière à travers tout le spectre électromagnétique de rechercher cette petite parcelle de ciel au lendemain de l’explosion. Et bien sûr, cela a été trouvé – dans un marigot démodé vers le bord d’une galaxie assez modeste appelée NGC4993 , dans la constellation d’Hydra.

Au cours des jours et des semaines qui ont suivi, les astronomes ont regardé les braises de l’explosion briller de mille feux , correspondant parfaitement au motif attendu d’ un soi-disant «kilonova» . Ceci est produit lorsque le matériau riche en particules subatomiques connu sous le nom de neutrons de la fusion initiale est éjecté à grande vitesse par le sursaut gamma. Cela pénètre dans la région environnante de l’espace, déclenchant la production d’éléments radioactifs lourds.

Ces éléments instables se décomposent généralement en un état stable en émettant un rayonnement. C’est ce qui provoque la lueur du kilonova, que nous avons maintenant confirmé en le cartographiant dans les moindres détails. Nos observations corroborent également la théorie selon laquelle les produits finis stables de ces chaînes de réactions comprennent de grandes quantités de métaux précieux comme l’or et le platine. Bien que nous ayons suspecté que les étoiles à neutrons jouent un rôle clé dans la production de ces éléments dans l’espace , cette hypothèse est maintenant beaucoup plus convaincante. En effet, le kilonova formé à partir des braises de GW170817 aurait pu produire autant d’or que toute la masse de la Terre, soit 1 000 milliards de tonnes.

En observant un kilonova «de près et personnel» pour la toute première fois et en voyant à quel point il s’intègre dans le story-board astronomique qui a commencé avec la fusion des étoiles à neutrons, les astronomes ont fait un grand pas en avant dans la compréhension de ces événements cosmiques violents .

L’idée que nous sommes tous faits de poussière d’étoile est de plus en plus appréciée dans la culture populaire, des documentaires aux paroles de chansons. Mais le concept époustouflant que l’or de nos alliances et de nos montres Rolex est constitué de poussières de neutrons est sur le point de se concrétiser. Peut-être encore plus excitant, cependant, l’énorme potentiel maintenant débloqué par cette nouvelle approche radicale de l’étude du cosmos.

En travaillant ensemble – en utilisant des instruments fonctionnant non seulement sur tout le spectre de la lumière, mais aussi sensibles aux ondes gravitationnelles et même aux neutrinos – les astronomes sont prêts à ouvrir complètement une nouvelle fenêtre multi-messagers sur l’univers, avec beaucoup d’autres découvertes à faire et mystères cosmiques à résoudre. Par exemple, nous avons déjà utilisé nos observations pour effectuer la première mesure conjointe du taux d’expansion de l’univers, en utilisant à la fois les ondes gravitationnelles et la lumière. Notre article paraîtra dans Nature le 16 octobre.

Plus de résultats suivront sûrement bientôt. La nouvelle ère passionnante de l’astronomie multi-messagers a commencé en beauté.

Les scientifiques ‘téléportent’ une porte quantique

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Les chercheurs de l’université de Yale ont démontré l’une des étapes clés de la construction de l’architecture des ordinateurs quantiques modulaires: la « téléportation » d’une porte quantique entre deux qubits, à la demande.

Le principe clé de ce nouveau travail est la téléportation quantique, une caractéristique unique de la mécanique quantique qui a déjà été utilisée pour transmettre des états quantiques inconnus entre deux parties sans envoyer physiquement l’état lui-même. En utilisant un protocole théorique mis au point dans les années 1990, les chercheurs de Yale ont expérimentalement démontré une opération quantique, ou «gate», sans recourir à une interaction directe. De telles portes sont nécessaires pour le calcul quantique qui repose sur des réseaux de systèmes quantiques distincts – une architecture qui, selon de nombreux chercheurs, peut compenser les erreurs inhérentes aux processeurs d’informatique quantique.

Grâce à l’Institut Yale Quantum, une équipe de recherche de Yale dirigée par le chercheur principal Robert Schoelkopf et l’ancien étudiant diplômé Kevin Chou étudie une approche modulaire de l’informatique quantique. La modularité, qui se retrouve dans tout, de l’organisation d’une cellule biologique au réseau de moteurs de la dernière fusée SpaceX, s’est révélée être une stratégie puissante pour construire de grands systèmes complexes, selon les chercheurs. Une architecture modulaire quantique consiste en une collection de modules fonctionnant comme de petits processeurs quantiques connectés à un réseau plus vaste.

Les modules de cette architecture ont un isolement naturel les uns des autres, ce qui réduit les interactions indésirables via un système plus vaste. Cependant, selon les chercheurs, cette isolation rend également difficile la réalisation d’opérations entre modules. Les portes téléportées sont un moyen de mettre en œuvre des opérations inter-modules.

« Notre travail est la première fois que ce protocole a été démontré où la communication classique se produit en temps réel, ce qui nous permet de mettre en œuvre une opération » déterministe « qui effectue l’opération souhaitée à chaque fois », a déclaré Chou.

Les ordinateurs quantiques pleinement utiles peuvent atteindre des vitesses de calcul plus élevées que les superordinateurs actuels. Les chercheurs de Yale sont à l’avant-garde des efforts visant à mettre au point les premiers ordinateurs quantiques pleinement utiles et ont réalisé des travaux de pointe en informatique quantique avec des circuits supraconducteurs.

Les calculs quantiques sont effectués via des bits de données délicats appelés qubits, qui sont sujets aux erreurs. Dans les systèmes quantiques expérimentaux, les qubits « logiques » sont surveillés par des qubits « auxiliaires » afin de détecter et de corriger les erreurs immédiatement. « Notre expérience est aussi la première démonstration d’une opération à deux qubits entre qubits logiques », a déclaré Schoelkopf. « C’est une étape importante dans le traitement de l’information quantique à l’aide de qubits corrigibles. »

Comment la matière noire peut-elle interagir avec la matière ordinaire?

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Une équipe internationale de scientifiques comprenant l’Université de Californie à Riverside et le physicien Hai-Bo Yu ont imposé des conditions sur la façon dont la matière noire peut interagir avec la matière ordinaire.

La matière noire – matière non lumineuse dans l’espace – est censée représenter 85% de la matière dans l’univers. Contrairement à la matière normale, elle n’absorbe pas, ne réfléchit pas et n’émet pas de lumière, ce qui la rend difficile à détecter.

Les physiciens sont certains que la matière noire existe, ayant déduit cette existence de l’effet gravitationnel que la matière noire a sur la matière visible. Ce dont ils sont moins certains, c’est comment la matière noire interagit avec la matière ordinaire – ou même si c’est le cas.

Dans la recherche de la détection directe de la matière noire, l’accent expérimental a été mis sur les WIMP, ou particules massives faiblement interactives, les particules hypothétiques supposées constituer la matière noire.

Mais l’équipe de recherche internationale de Yu invoque une théorie différente pour défier le paradigme WIMP: le modèle de matière noire auto-interactif, ou SIDM, un cadre bien motivé qui peut expliquer toute la diversité observée dans les courbes de rotation galactiques. Proposé pour la première fois en 2000 par deux éminents astrophysiciens, le SIDM a regagné en popularité à la fois en physique des particules et en astrophysique depuis 2009, aidé en partie par le travail de Yu et de ses collaborateurs.

Yu, théoricien au Département de physique et d’astronomie de UCR, et Yong Yang, expérimentaliste à l’Université de Shanghai Jiaotong en Chine, ont codirigé l’équipe chargée d’analyser et d’interpréter les dernières données recueillies en 2016 et 2017 à PandaX-II, un xénon L’expérience de détection directe de la matière noire basée sur la substance noire en Chine (PandaX fait référence au détecteur de particules et d’astrophysique au xénon, PandaX-II se réfère à l’expérience). Si une particule de matière noire entre en collision avec le xénon liquéfié de PandaX-II, le résultat serait deux signaux simultanés: l’un des photons et l’autre des électrons.

Yu a expliqué que PandaX-II suppose que la matière noire «parle à» la matière normale – c’est-à-dire interagit avec les protons et les neutrons – par des moyens autres que l’interaction gravitationnelle (l’interaction gravitationnelle ne suffit pas). Les chercheurs recherchent ensuite un signal identifiant cette interaction. De plus, la collaboration PandaX-II suppose que la «particule médiateur», qui est la médiation des interactions entre la matière noire et la matière normale, a une masse beaucoup moins grande que la particule médiateur du paradigme WIMP.

« Le paradigme WIMP suppose que cette particule de médiateur est très lourde – 100 à 1000 fois la masse d’un proton – ou à propos de la masse de la particule de matière noire », a déclaré Yu. «Ce paradigme domine le champ depuis plus de 30 ans, mais nous ne voyons pas toutes ses prédictions dans les observations astrophysiques, alors que le modèle SIDM suppose que la particule du médiateur est environ 0,001 fois la masse du corps. La présence d’un tel médiateur léger pourrait conduire à des signatures de fumée de SIDM dans la détection directe de la matière noire, comme nous l’avons suggéré dans un document de théorie antérieure. PandaX-II, l’une des expériences de détection directe les plus sensibles au monde, est sur le point de valider le modèle SIDM lorsqu’une particule de matière noire est détectée.

L’équipe internationale de chercheurs rapporte le 12 juillet dans Physical Review Letters la limite la plus forte de la force d’interaction entre la matière noire et la matière visible avec un médiateur léger. La revue a choisi le document de recherche comme un point culminant, un honneur important.

« C’est une contrainte de la physique des particules sur une théorie qui a été utilisée pour comprendre les propriétés astrophysiques de la matière noire », a déclaré Flip Tanedo, un expert de la matière noire à UCR, qui n’était pas impliqué dans la recherche. «L’étude met en évidence la complémentarité des expériences nécessaires à la recherche de la matière noire et montre pourquoi la physique théorique joue un rôle crucial dans la traduction entre ces différents types de recherches.» L’étude de Hai-Bo Yu et de ses collègues interprète nouvelles données expérimentales en termes d’un cadre qui le rend facile à se connecter à d’autres types d’expériences, en particulier les observations astrophysiques, et un éventail beaucoup plus large de théories.  »

PandaX-II est situé au laboratoire souterrain de China Jinping, province du Sichuan, où les pandas sont abondants. Le laboratoire est le laboratoire souterrain le plus profond au monde. PandaX-II a généré le plus grand ensemble de données pour la détection de la matière noire lorsque l’analyse a été effectuée. PandaX-II, l’une des trois seules expériences de détection directe de la matière noire au xénon, est l’une des installations frontalières à la recherche d’événements extrêmement rares où les scientifiques espèrent observer une particule de matière noire interagir avec la matière ordinaire. propriétés des particules de la matière noire.

Les tentatives des physiciens des particules pour comprendre la matière noire n’ont pas encore donné de preuves définitives de la matière noire en laboratoire.

« La découverte d’une particule de matière noire qui interagit avec la matière ordinaire est l’un des saints sceaux de la physique moderne et représente le meilleur espoir de comprendre les propriétés fondamentales des particules de la matière noire », a déclaré Tanedo.

Au cours de la dernière décennie, Yu, un expert mondial en SIDM, a dirigé un effort pour rapprocher la physique des particules et la cosmologie en cherchant des façons de comprendre les propriétés des particules de la matière noire à partir de données astrophysiques. Lui et ses collaborateurs ont découvert une classe de théories de la matière noire avec une nouvelle force sombre qui peut expliquer les caractéristiques inattendues observées dans les systèmes à travers un large éventail, des galaxies naines aux amas de galaxies. Plus important encore, ce nouveau cadre SIDM sert de béquille aux physiciens des particules pour convertir les données astronomiques en paramètres de physique des particules des modèles de la matière noire. De cette manière, le framework SIDM est un traducteur pour deux communautés scientifiques différentes pour comprendre les résultats de l’autre.

Maintenant, avec la collaboration expérimentale de PandaX-II, Yu a montré comment les théories de la matière noire auto-interagissantes peuvent être distinguées lors de l’expérience PandaX-II.

« Avant cette ligne de travail, ces types d’expériences de la matière noire en laboratoire se concentraient principalement sur les candidats de la matière noire qui n’avaient pas d’auto-interactions », a déclaré Tanedo. « Ce travail a montré comment les forces sombres affectent les signaux de laboratoire de la matière noire. »

Yu a noté qu’il s’agit du premier résultat de détection directe pour SIDM rapporté par une collaboration expérimentale.

« Avec plus de données, nous continuerons à sonder les interactions de la matière noire avec un médiateur léger et la nature auto-interactive de la matière noire », a-t-il dit.

Un système d’étoiles binaire est en train de projeter de puissants particules vers la Terre comme un genre de ‘canon à rayon cosmique’

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Notre Soleil est évidemment l’endroit le plus intense de notre système solaire, mais il est vraiment assez froid comparé à beaucoup d’autres systèmes. 

Eta Carinae, par exemple, est un système d’étoiles binaires qui se trouve à environ 7500 années-lumière de la Terre, et il est si incroyablement extrême que lorsqu’il envoie des rayons cosmiques dans l’espace, il parvient à nous atteindre ici sur Terre.

Une nouvelle étude réalisée par des astronomes utilisant le télescope spatial NuSTAR de la NASA dresse un tableau saisissant de Eta Carinae. Le système à deux étoiles est un endroit violent, avec ses étoiles jumelles produisant des vents stellaires incroyablement puissants lorsqu’ils tournent l’un autour de l’autre.

Le cœur de Eta Carinae est son double étoile, dont l’une représente 30 fois la masse de notre Soleil et l’autre 90 fois la masse. Ces étoiles massives sont en orbite autour d’une distance très proche, effectuant une rotation complète tous les cinq ans et demi. À leur approche la plus proche, les étoiles ne sont séparées que de 140 millions de miles, ce qui, selon la NASA, équivaut à peu près à la même distance que Mars du Soleil.

Les deux étoiles dégagent constamment des particules chargées à des vitesses extrêmement élevées, le vent de la plus grande étoile claquant dans celui de l’étoile plus petite, créant des vagues massives d’énergie qui sont soufflées dans l’espace. Une partie de cette énergie trouve son chemin dans notre propre système solaire, et pendant longtemps les astronomes ne savaient pas exactement d’où elle venait. Grâce aux outils fournis par le télescope NuSTAR, les scientifiques ont pu tracer définitivement la source.

« Nous savons depuis quelque temps que la région autour d’Eta Carinae est la source d’émission énergétique dans les rayons X et les rayons gamma de haute énergie », a déclaré Fiona Harrison, chercheur principal de NuSTAR, dans un communiqué . « Mais jusqu’à ce que NuSTAR soit capable d’identifier le rayonnement, montrer qu’il vient du binaire et étudier ses propriétés en détail, l’origine était mystérieuse. »

Ce «canon à rayons cosmiques» comme l’appelle la NASA ne nous menace pas à cause de la distance entre la Terre et le système volatil, mais la recherche de la source des divers rayons cosmiques peut aider les chercheurs à mieux comprendre les processus qui façonnent la galaxie. 

Les scientifiques découvrent des molécules organiques complexes sur Encelade

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Cassini a découvert des molécules organiques complexes qui éclatent d’Encelade dans l’espace. 

Les scientifiques de l’Institut de recherche du Sud-Ouest pensent que les processus hydrothermaux dans le noyau rocheux de la lune pourraient synthétiser des composés organiques à partir de précurseurs inorganiques. Alternativement, ces processus pourraient transformer des matières organiques préexistantes en les chauffant, ou pourraient générer des conditions géochimiques dans l’océan d’Encelade qui permettraient à d’éventuelles formes de vie extraterrestre de synthétiser des molécules biologiques.

En utilisant les données de spectrométrie de masse du vaisseau spatial Cassini de la NASA, les scientifiques ont découvert que de grandes molécules organiques riches en carbone sont éjectées des fissures de la surface glacée de la lune Encelade de Saturne. Les scientifiques du Southwest Research Institute pensent que les réactions chimiques entre le noyau rocheux de la lune et l’eau chaude de son océan souterrain sont liées à ces molécules complexes.

« Nous sommes encore une fois époustouflés par Encelade: auparavant, nous n’avions identifié que les molécules organiques les plus simples contenant quelques atomes de carbone, mais même cela était très intrigant », a déclaré le Dr Christopher Glein, spécialiste de la chimie extraterrestre. océanographie. Il est coauteur d’un article dans Nature décrivant cette découverte. « Récemment, nous avons trouvé des molécules organiques avec des masses supérieures à 200 unités de masse atomique, soit plus de dix fois plus que le méthane. » Avec des molécules organiques complexes provenant de son océan liquide, cette lune est le seul corps exigences de base pour la vie telle que nous la connaissons. « 

Avant sa désorption en septembre 2017, Cassini a échantillonné le panache de matériau émergeant du sous-sol d’Enceladus. L’analyseur de poussière cosmique (CDA) et le spectromètre de masse ionique et neutre (INMS) ont effectué des mesures à la fois dans le panache et dans l’anneau E de Saturne, formé de grains de glace qui s’échappent de la gravité d’Encelade.

« Même après sa fin, le vaisseau spatial Cassini continue de nous enseigner le potentiel d’Encelade à faire progresser le domaine de l’astrobiologie dans un monde océanique », a déclaré Glein. « Cet article démontre la valeur du travail d’équipe dans la science planétaire.Les équipes INMS et CDA ont collaboré pour parvenir à une compréhension plus approfondie de la chimie organique de l’océan souterrain d’Encelade qu’il ne serait possible avec un seul ensemble de données. »

Au cours du survol d’Encelade par Cassini le 28 octobre 2015, l’INMS a détecté de l’hydrogène moléculaire alors que l’engin spatial volait à travers le panache. Les survols antérieurs ont fourni des preuves d’un océan souterrain global situé au-dessus d’un noyau rocheux. On pense que l’hydrogène moléculaire dans le panache se forme par l’interaction géochimique entre l’eau et les roches dans les environnements hydrothermaux.

«L’hydrogène fournit une source d’énergie chimique qui soutient les microbes qui vivent dans les océans de la Terre près des sources hydrothermales», a déclaré le Dr Hunter Waite, chercheur principal de l’INMS et co-auteur du nouveau document. « Une fois que vous avez identifié une source potentielle de nourriture pour les microbes, la prochaine question à poser est » quelle est la nature des composés organiques complexes dans l’océan?  » Cet article représente la première étape de cette compréhension – la complexité de la chimie organique au-delà de nos attentes!

« Les résultats du document ont également une grande signification pour la prochaine génération d’exploration », a déclaré Glein. « Un futur vaisseau spatial pourrait voler à travers le panache d’Encelade et analyser ces molécules organiques complexes à l’aide d’un spectromètre de masse à haute résolution pour nous aider à déterminer comment elles ont été faites.Nous devons être prudents, mais il est excitant de penser que cette découverte la synthèse biologique de molécules organiques sur Enceladus est possible. « 

Un microbe unique pourrait prospérer sur Mars et aider les futures missions habitées

De nouvelles recherches suggèrent que certaines cyanobactéries pourraient prospérer sur Mars.

Les microbes pourraient même être utilisés pour fournir de l’oxygène aux futures colonies spatiales.

« Cela peut paraître comme la science – fiction, mais les agences spatiales et les entreprises privées du monde entier sont activement en train d’essayer de transformer cette aspiration en réalité dans un avenir pas trop lointain », Elmars Krausz, professeur de chimie à l’ Université nationale australienne, a déclaré dans une nouvelles étude. « La photosynthèse pourrait théoriquement être exploitée avec ces types d’organismes afin de créer de l’air pour permettre aux humains de respirer sur Mars. »

Les cyanobactéries sont les seuls procaryotes photosynthétiques capables de produire de l’oxygène. Ils sont le terrain le plus abondant de bactéries sur la planète et ont colonisé la Terre depuis déjà 2,5 milliards d’années. Plusieurs cyanobactéries se sont adaptées à des conditions de faible luminosité.

«Les organismes adaptés à la faible luminosité, comme les cyanobactéries que nous avons étudiées, peuvent pousser sous les roches et survivre potentiellement aux conditions difficiles de la planète rouge», a déclaré M. Krausz.

Dans le cadre de la dernière recherche, les scientifiques ont analysé les capacités de photosynthèse de Chroococcidiopsis thermalis , une espèce d’algue capable d’absorber et de récolter de l’énergie à partir d’une lumière plus rouge et moins énergétique.

On a déjà découvert que Chroococcidiopsis thermalis vivait dans des sources d’eau chaude en eau profonde et à l’intérieur de roches dans le désert de Mojave. Les dernières recherches ont montré que les cyanobactéries peuvent plus que simplement survivre dans des environnements extrêmes et peu éclairés.

« Ce travail redéfinit l’énergie minimale nécessaire à la lumière pour stimuler la photosynthèse », a déclaré Jennifer Morton, doctorante à l’ANU Research School of Chemistry. « Ce type de photosynthèse pourrait bien se produire dans votre jardin, sous un rocher. »

La nouvelle recherche pourrait également aider les scientifiques à savoir ce qu’il faut rechercher lors de la recherche d’une vie extraterrestre. Bon nombre des planètes et des lunes potentiellement habitables identifiées par les astronomes sont susceptibles d’être relativement hostiles par rapport aux environnements généralement tempérés et riches en eau de la Terre.

Les chlorophylles rouges qui aident les cyanobactéries à prospérer dans des conditions de faible luminosité ont une signature spectrale unique.

« La recherche de la fluorescence de la signature de ces pigments pourrait aider à identifier la vie extraterrestre », a déclaré Morton.

Les trous de ver résulteraient des trous noirs, et la science sera bientôt capable de le prouver

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Lorsque deux trous de ver entrent en collision, ils peuvent produire des ondulations dans l’espace-temps qui ricochent d’eux-mêmes.

Les futurs instruments pourraient détecter ces « échos gravitationnels », apportant la preuve que ces tunnels hypothétiques à travers l’espace-temps existent réellement, suggère un nouvel article.

L’observatoire à ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) a déjà détecté des ondulations spatio-temporelles, appelées ondes gravitationnelles, émanant de la fusion de trous noirs – des découvertes qui ont conduit au Prix Nobel en 2017 .

Mais si la détection de LIGO n’était qu’une des nombreuses observations soutenant l’existence de trous noirs, ces objets exotiques posent toujours des problèmes théoriques. Par exemple, ils semblent être incompatibles avec les lois de la mécanique quantique. Une façon de résoudre ces problèmes est de savoir si les trous noirs étaient en fait des trous de ver.

Point de non retour

L’une des principales caractéristiques des trous noirs est l’horizon des événements, une région de l’espace-temps au-delà de laquelle rien ne peut s’échapper, même pas la lumière. Si vous jetez quelque chose dans un trou noir, c’est perdu pour toujours – dans une certaine mesure. Stephen Hawking a découvert que, grâce à un phénomène connu sous le nom de tunnel quantique, les trous noirs pouvaient en réalité produire un tout petit peu de rayonnement, qui serait connu sous le nom de rayonnement de Hawking. Pendant longtemps, les trous noirs pourraient même s’évaporer à cause de ce rayonnement.

« Mais ce qui sort est aléatoire », a déclaré Amber Stuver, un astrophysicien à l’Université Villanova en Pennsylvanie, qui n’a pas été impliqué dans la nouvelle recherche. Le rayonnement ne contient aucune indication quant à ce qui est entré dans le trou noir.

« En mécanique quantique, si vous savez tout sur un système particulier, alors vous devriez être capable de décrire son passé et son avenir », a-t-elle dit. Mais parce que toute information qui entre dans un trou noir est définitivement perdue, un horizon d’événements ne coïncide pas avec la mécanique quantique.

Pour résoudre ce paradoxe de l’information dite trou noir , certains physiciens ont suggéré que les horizons d’événements n’existent pas. Au lieu d’abîmes où rien ne peut revenir, les trous noirs pourraient être une multitude d’objets spéculatifs de type trou noir dépourvus d’horizons tels que des étoiles de boson, des gravastars, des boules de poils et même des trous de ver, théorisés par Albert Einstein et le physicien Nathan. Rosen il y a des décennies.

Sosies de trous noirs

Dans une étude de 2016 dans la revue Physical Review Letters, les physiciens ont émis l’hypothèse que si deux trous de ver entraient en collision, ils produiraient des ondes gravitationnelles très similaires à celles générées par la fusion des trous noirs. La seule différence dans le signal serait dans la dernière phase de la fusion, appelée le ringdown, lorsque le trou noir nouvellement combiné ou trou de ver détend dans son état final.

Parce que les trous de ver n’ont pas d’horizons d’événements, les ondes gravitationnelles qui heurtent ces objets pourraient rebondir, produisant un écho pendant le ringdown.

« L’intérieur de l’objet est une sorte de cavité où les ondes gravitationnelles sont réfléchies », ont déclaré les chercheurs de la nouvelle étude à Live Science dans un courriel. « La production d’ échos gravitationnels n’est pas très différente des échos sonores ordinaires dans une vallée. »

Dans cet article , publié en janvier dans la revue Physical Review D, l’équipe de physiciens belges et espagnols a analysé les trous de ver qui tournent, qui sont plus réalistes que la variété non filante étudiée dans le travail de 2016. Ils ont calculé ce que le signal d’onde gravitationnelle résultant ressemblerait si les trous de ver fusionnaient.

Comme la puissance du signal diminue pendant le ringdown, cette section du signal serait trop faible pour que la configuration actuelle de LIGO puisse détecter. Mais cela pourrait changer à l’avenir, alors que les chercheurs continuent de mettre à jour et d’affiner l’instrument, selon les chercheurs.

« Au moment où nous fonctionnons à pleine sensibilité de conception, je crois qu’il peut être possible de résoudre la phase de ringdown où ces échos sont prévus, » a déclaré Stuver, qui est également membre de l’équipe LIGO.

Pourtant, les trous de ver sont moins un fait scientifique que la science-fiction, souvent utilisé dans les films et les livres comme autoroutes intergalactiques. Pour que les trous de ver soient traversables, cependant, vous auriez probablement besoin d’une matière exotique inconnue pour les garder ouverts. En décembre dernier, les physiciens ont inventé des trous de ver traversables qui n’ont pas besoin de matière exotique, mais, comme tous les trous de ver, ils sont hautement spéculatifs. « D’un autre côté, les répercussions d’une détection d’échos seraient d’une importance dramatique en physique », écrivent les chercheurs dans un courriel à Live Science. « Donc, étant donné qu’un test expérimental réel sera bientôt disponible, il vaut la peine de les explorer. »

« Il est maintenant temps de prendre au sérieux la possibilité qu’il existe d’autres objets aussi massifs et compacts que les trous noirs », a déclaré Vitor Cardoso, physicien à l’Université de Lisbonne au Portugal, qui participait à une étude antérieure sur le non-pivotement. trous de ver. « C’est l’une des choses les plus excitantes que nous puissions faire avec les ondes gravitationnelles. »

La voix de Stephen Hawking envoyée dans l’espace vers un trou noir

La voix du physicien Stephen Hawking , décédé en mars, sera téléportée dans l’espace vers un trou noir, a annoncé l’Agence spatiale européenne.

Ses paroles préenregistrées sont accompagnées par la musique du compositeur grec Vangelis, qui a écrit les partitions des films Blade Runner et Chariots of Fire .

L’ensemble audio devait être diffusé par un émetteur en Espagne à IA 0620-00, le trou noir connu le plus proche de la Terre, à la suite d’un service rendu vendredi en l’honneur de Hawking à l’abbaye de Westminster à Londres .

Les cendres de Hawking ont été enterrées à l’église entre les corps des scientifiques britanniques Isaac Newton et Charles Darwin .

Environ 1000 personnes, sélectionnées par loterie, ont reçu des invitations pour assister au service commémoratif. Hawking est décédé le 14 mars à l’âge de 76 ans.

Hawking a vécu avec la maladie du motoneurone, une maladie neurologique débilitante, et a perdu l’utilisation de ses cordes vocales dans les années 1980. Assis dans un fauteuil roulant motorisé, il a parlé avec l’aide d’un ordinateur, donnant à ses mots une qualité de robot qu’il a choisi de ne pas améliorer au fur et à mesure que la technologie de la parole s’améliorait. Avec sa voix distinctive, les observations percutantes de Hawking sur les trous noirs et son plaidoyer pour la science étaient reconnaissables et populaires auprès du public.

Sa fille Lucy Hawking a qualifié le couplage de la musique de Vangelis et les paroles de son père d’un «geste beau et symbolique qui crée un lien entre la présence de son père sur cette planète, son désir d’aller dans l’espace et ses explorations de l’univers. un message de paix et d’espoir, d’unité et de la nécessité de vivre ensemble en harmonie sur cette planète.  »

Hawking était professeur à l’Université de Cambridge et étudiait principalement les trous noirs et la théorie de la relativité. Le livre Une brève histoire du temps est le plus connu de plusieurs livres qu’il a écrits pour un public général.

Un trou noir géant avale une étoile et dégage un jet de particules à grande vitesse

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Les scientifiques ont capturé de nouveaux détails d’un trou noir gargantuesque se nourrissant d’une étoile malheureuse, regardant le trou noir consommer sa proie et éructé un jet de matériel se déplaçant à une fraction significative de la vitesse de la lumière. 

Les résultats sont publiésdans l’édition du 14 juin de Science , et pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre comment les trous noirs se développent et influencent leur environnement galactique.

« Jamais auparavant nous n’avons été en mesure d’observer directement la formation et l’évolution d’un jet d’un de ces événements », explique le co-auteur de l’étude Miguel Pérez-Torres de l’Institut d’Astrophysique d’Andalousie en Espagne.

Les premières images de la découverte ont vu le jour en janvier 2005 lorsqu’une équipe dirigée par l’astronome Seppo Mattila de l’Université de Turku en Finlande a détecté une source de lumière infrarouge brillante à l’intérieur de l’Arp 299, une paire de galaxies fusionnant à 150 millions d’années-lumière. . En juillet, une autre équipe, dirigée par Pérez-Torres, a réanalysé les données précédemment recueillies, confirmant une source lumineuse d’ondes radio provenant du même endroit.

Tous deux recherchaient des supernovae à proximité des carottes galactiques de l’Arp 299, une région recouverte de poussière et remplie de nuages ​​de gaz et d’étoiles massives naissantes générées par la fusion en cours. Et une supernova était, au début, exactement ce qu’ils pensaient avoir trouvé. Ces explosions stellaires cataclysmiques sont particulièrement brillantes dans la lumière visible et dans les rayons X – sauf dans le centre obscur de l’Arp 299, la plus grande partie de cette lumière serait absorbée par la poussière et ré-irradiée dans l’infrarouge; le reste fuirait alors sous forme d’ondes radio. Mais les observations infrarouges de suivi avec le télescope spatial Spitzer de la NASA ont montré que la source était trop brillante pour être une supernova, flamboyant avec la lumière qui éclipserait de 100 fois une petite galaxie typique. Cela a suggéré que la source n’était pas une supernova du tout, mais plutôt un événement de perturbation des marées (TDE),

Dans un TDE, environ la moitié de l’étoile arrachée est projetée loin du trou noir, tandis que l’autre moitié plonge vers sa perte, s’empilant autour de la gueule du trou dans un disque tourbillonnant de débris incandescents qu’on peut confondre avec une supernova. On ne peut cependant pas se méprendre sur l’autre signature d’un TDE: des jets jumeaux de substance étoilée éjectés à proximité du trou noir à presque la vitesse de la lumière par d’intenses champs magnétiques se tordant et se brisant comme des élastiques. Se jetant dans le gaz diffus du milieu interstellaire, les jets produiraient de copieuses ondes radio potentiellement visibles depuis la Terre. Ainsi, Mattila, Pérez-Torres et 34 autres collaborateurs ont organisé une campagne internationale en utilisant un réseau mondial de radiotélescopes pour obtenir des images radio de la source à haute résolution, patiemment, en surveillant périodiquement sa taille et sa forme à la recherche d’un jet.

En 2011, cette patience a commencé à porter ses fruits puisque la source ponctuelle est devenue déséquilibrée aux longueurs d’onde radio, peut-être en raison de l’émission d’un avion à réaction. À la fin de 2015, le point s’était élargi; l’équipe a enregistré sa croissance à environ 50 000 miles par seconde, soit un quart de la vitesse de la lumière. Après des années passées à scruter leurs données et à modéliser soigneusement la façon dont la lumière et les jets d’un TDE se propageaient à travers le cœur poussiéreux de l’Arp 299, l’équipe se retrouva « avec une explication plausible », dit Mattila. « Les émissions infrarouges et radio provenaient de la perturbation d’une étoile malheureuse dévorée par le trou noir supermassif quand elle passait trop près de ce monstre cosmique. » Le TDE, à son tour, identifie le trou noir supermassif de 20 millions de masse solaire. position exacte dans le noyau de l’Arp 299, et révèle également la taille de l’étoile dévorée,

Les astronomes ont détecté et étudié une poignée d’autres TDE au cours des dernières années, mais la plupart d’entre eux ont été trouvés en raison de leur luminosité dans la lumière visible plutôt que par des émissions infrarouges et radio. « Les perturbations dues aux marées sont des événements très rares, et il faut généralement surveiller un très grand nombre de galaxies afin de les détecter », explique Pérez-Torres. En trouver un enveloppé de poussière dans les galaxies fusionnées de l’Arp 299, ajoute-t-il, les TDE pourraient être beaucoup plus fréquents dans de tels endroits. Dans les galaxies en collision, les étoiles formées à partir d’un gaz canalisé vers un trou noir supermassif central pourraient déclencher des TDE avec une régularité relative. L’énergie qui s’échappe de ces TDE, à son tour, pourrait avoir des effets profonds,

De plus, remarque Mattila, les systèmes comme Arp 299 étaient beaucoup plus communs dans l’univers lointain, quand la formation et l’évolution des galaxies étaient dans les premiers stades. «L’événement que nous avons découvert pourrait donc ne constituer que la partie émergée de l’iceberg d’une population cachée de TDE qui était plus commune lorsque l’univers était beaucoup plus jeune qu’aujourd’hui», explique-t-il. Selon lui, les futurs observatoires infrarouges et radio pourraient, au cours de la prochaine décennie, permettre aux astronomes de détecter beaucoup plus de TDE maintenant «cachés par un rideau de poussière», soulevant le voile pour permettre des études plus approfondies de l’assemblage galactique à travers le temps cosmique.

Les ondes gravitationnelles pourraient être utilisées pour trouver des trous de ver

Au cours des dernières années, des observatoires d’ondes gravitationnelles ont été utilisés pour détecter des collisions entre des paires de trous noirs et même  deux étoiles à neutrons

L’observation de ces signaux très faibles a été possible grâce à une combinaison de technologie sophistiquée et de fortes prédictions théoriques de ce que nous devrions voir. Désormais, les physiciens réfléchissent à ce qu’il pourrait y avoir d’autre.

Une équipe de chercheurs européens a déterminé à quoi ressemblerait le signal d’onde gravitationnelle pour une paire de trous de ver agissant l’un sur l’autre. Les trous de ver sont des ponts hypothétiques entre deux régions différentes de l’espace-temps ou même des univers différents. Dans ce cas, les chercheurs les ont juste considérés comme des objets compacts exotiques, ne s’inquiétant pas trop de leurs autres propriétés.

S’ils existent, les chercheurs affirment qu’ils auront une différence importante avec les trous noirs. Les trous de ver seraient dépourvus d’un horizon ou d’un bord d’événement, la surface au-delà de laquelle rien – même pas la lumière, ne peut échapper à l’attraction gravitationnelle du trou noir. Selon le travail, publié dans Physical Review D , cette différence est la clé.

« La dernière partie du signal gravitationnel détectée par ces deux détecteurs – ce qu’on appelle le ringdown – correspond à la dernière étape de la collision de deux trous noirs, et a la propriété de s’éteindre complètement après une courte période de temps en raison de la présence de l’horizon des événements « , ont expliqué les auteurs Pablo Bueno et Pablo A. Cano, de l’Université KU Leuven en Belgique, dans un communiqué .

« Cependant, s’il n’y avait pas d’horizon, ces oscillations ne disparaîtraient pas complètement, mais au bout d’un certain temps, elles produiraient une série d ‘ » échos « , similaires à ce qui se passe avec le son dans un puits. , nous avions un ECO, l’anneau pourrait être similaire, nous devons donc déterminer la présence ou l’absence des échos pour distinguer les deux types d’objets. « 

L’étude montre une similitude remarquable entre le signal des fusions de trous noirs et la fusion théorique de trou de ver, jusqu’au point d’arrêt. Il n’y a aucune preuve pour conclure que la détection précédente a simplement manqué les échos gravitationnels, mais la nouvelle recherche dit aux observateurs que si ces objets existent et entrent en collision les uns avec les autres, il existe un moyen de les étudier.

« Le temps nous dira si ces échos existent ou pas, si le résultat était positif, ce serait l’une des plus grandes découvertes de l’histoire de la physique », a ajouté Bueno.

Trois observatoires d’ondes gravitationnelles, les deux installations de LIGO aux États-Unis et Vierge en Italie, seront de retour en ligne pour observer l’univers plus tard cette année.

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