La saga du Big Bang
  L’univers de la violence


Etienne Parizot, Institut de Physique Nucléaire d’Orsay, CNRS















Depuis la nuit des temps, poètes, mystiques et philosophes méditent à travers l’observation du ciel les notions d’infini, d’éternité et d’immuabilité. Le mouvement des planètes lui-même, apparemment erratique, témoigne d’une régularité dépassant largement l’échelle de temps des générations humaines et des civilisations. Pourtant, si le monde judéo-chrétien, notamment, s’est longtemps référé au Ciel comme au monde de la paix, de la pureté et de la perfection, confinant la violence et l’accidentel à un "ici-bas" sublunaire, de nombreux récits mythologiques font du cosmos le siège de crises majeures, d’actes violents et irréversibles. Aujourd’hui, les gigantesques déferlements d’énergie dont sont témoins les astronomes à travers l’univers font l’objet d’études de plus en plus nombreuses, utilisant des moyens d’observation couvrant toute l’étendue du spectre électromagnétique, des ondes radios aux rayons gamma, et faisant appel à des messagers cosmiques nouveaux, tels les particules chargées ("rayons cosmiques"), les neutrinos ou encore les ondes gravitationnelles. Ces phénomènes cosmiques violents se présentent sous des formes et à des échelles très diverses. Qu’ils soient associés à l’explosion d’étoiles massives, à des trous noirs géants ou à des objets compacts fortement magnétisés, ils se caractérisent le plus souvent par des conditions physiques extrêmes, obligeant les physiciens à étendre toujours davantage le domaine d’application de leurs théories…


Accidents cosmiques et histoire universelle
À première vue, le ciel est calme, impassible, immuable, contrastant singulièrement avec notre environnement familier où tout est mouvement, agitation, éclosion, croissance et mort. Les éléments peuvent se déchaîner sur la Terre, les volcans s’animer, les tempêtes sévir, les étoiles que l’on quitte une nuit se retrouvent toujours à l’identique la nuit suivante, brillant d’un même éclat et dessinant les mêmes constellations sur le ciel. Seules la Lune et les planètes paraissent se déplacer sur un fond de ciel essentiellement immobile, modulé seulement par ce que nous savons être aujourd’hui le mouvement propre de la Terre, mais ces mouvements sont d’une telle régularité qu’on les utilise depuis la plus haute antiquité pour… mesurer le temps!

Le cosmos semble ainsi marqué à la fois par le permanent et le périodique, ce qui conduit à la notion d’un temps cyclique dans lequel rien ne saurait se produire qui pourrait affecter significativement l’univers et ainsi matérialiser une histoire cosmique. On comprend dès lors que l’apparition ou la disparition d’une étoile dans le ciel puisse susciter le plus grand étonnement et plonger ses témoins dans la perplexité. Nous savons aujourd’hui que les étoiles, comme les civilisations, sont mortelles. Elles naissent, rayonnent un temps, puis disparaissent. Leur durée de vie se compte le plus souvent en milliards d’années (environ dix pour notre Soleil, dont 4,5 déjà écoulés), et même les plus éphémères brillent d’un intense éclat pendant plusieurs millions d’années. La période de vie active des étoiles n’est pas non plus d’une parfaite régularité. Différentes phases d’activité se succèdent, et des soubresauts les secouent même parfois, modifiant sensiblement leur éclat. C’est sans doute historiquement la première manifestation de violence cosmique dont fut témoin l’humanité. Lors d’un brusque accroissement de son intensité lumineuse, une étoile ordinairement invisible peut soudain devenir observable à l’œil nu. De tels phénomènes, observés occasionnellement par les astronomes au cours des siècles, portent le nom de nova, indiquant qu’une « nouvelle » étoile apparaît alors dans le ciel. Outre le mécanisme physique responsable de cette formidable libération d’énergie, sur lequel nous reviendrons, c’est avant tout par son échelle de temps qu’un tel phénomène peut surprendre. Le cosmos varie manifestement, à l’occasion, sur des échelles de temps humaines! Ce n’est plus une évolution, mais un bouleversement : un événement a lieu, quelque part dans l’univers, capable de produire des effets observables sur Terre, ne durant parfois guère plus de quelques instants.

Une trace historique particulièrement significative d’un tel phénomène est la mention faite par les astronomes chinois d’une "supernova" (plus violente encore qu’une nova) apparue en l’an 1054. En Occident, l’observation par le grand astronome scandinave Tycho Brahé d’une supernova survenue en 1572 joua un rôle très important dans l’abandon de l’idée aristotélicienne d’un cosmos immuable. Pourtant, de tels événements pouvaient encore être considérés comme des "accidents cosmiques", ne changeant pas la situation globale de manière significative. C’est dans les années 1920 qu’une observation véritablement révolutionnaire remit en cause de manière radicale notre conception de l’univers et des phénomènes qui s’y déroulent. La théorie de la Relativité Générale élaborée par Albert Einstein semblait bien impliquer une évolution globale de l’univers, soit en expansion, soit en contraction, mais Einstein lui-même ne pouvait se résoudre à une telle perspective. La découverte observationnelle de l’expansion de l’univers, formalisée par Edwin Hubble, l’y obligea pourtant. Indépendamment même des mouvements, de l’apparition ou de la disparition des étoiles, c’est la structure même de l’univers qui évolue dans un temps désormais ordonné, séquentiel. Le cosmos présent se distingue du cosmos passé non plus par l’intervention de quelques accidents obéissant à une contingence locale, mais selon le déroulement d’une histoire universelle modifiant globalement ses propriétés physiques et son contenu énergétique et matériel.

Or, si cette évolution se caractérise par des échelles de temps et de longueur dépassant largement celles qui nous sont familières, elle conduit inévitablement sur la piste d’une origine temporelle – un début – marquée à la fois par un enchaînement accéléré des événements significatifs et par la mise en jeu d’énergies colossales. En révélant le passé extrêmement dense et extrêmement chaud de l’univers, et en faisant remonter ses caractéristiques présentes à des événements survenus en quelques minutes, voire en quelques secondes ou fractions infinitésimales de seconde il y a 13 ou 14 milliards d’années, le cadre général du big-bang, avec sa mystérieuse origine temporelle, symbolise à lui seul la part violente de notre univers. Il associe également d’emblée cette violence à un processus évolutif dans lequel elle est un moteur, au point qu’il serait possible de dire, dans ce contexte, que la violence est créatrice.

Mais des phénomènes cosmiques extrêmement violents se produisent en réalité couramment dans l’univers, des milliards d’années après cette agitation primordiale, au sein même des galaxies les plus paisibles et les plus discrètes. Ce sont ces événements que nous évoquerons ici. Mais auparavant, il convient de noter que la notion de violence appliquée aux phénomènes célestes est en vérité arbitraire. On utilise généralement ce mot pour rendre compte du sentiment de gigantisme, voire de terreur que nous inspirent certains phénomènes particulièrement énergétiques ou mettant en jeu des puissances considérables, mais on ne saurait bien sûr considérer que les énergies déployées par l’Homme dans la conduite de ses activités terrestres représente en quelque manière une référence dans ce domaine. On n’oubliera donc pas que parler d’univers violent ou de violence cosmique relève avant tout de l’anthropocentrisme, et que même en s’en tenant à nos catégories humaines, on pourrait tout aussi bien parler de ferveur ardente ou d’ivresse passionnée.

Violence stellaire
Même dans les phases les plus tranquilles de leur existence, les étoiles connaissent des éruptions de surface provoquées par des mouvements de plasma qui conduisent à la libération de grandes quantités d’énergie magnétique. Au cours de ces éruptions, appelées flares (prononcer "flair"), des particules sont accélérées à très haute énergie et émettent un rayonnement non-thermique – par opposition au rayonnement produit par les étoiles, les plasmas chauds interstellaires ou les poussières cosmiques en raison seule de leur température. Ce rayonnement se compose notamment de photons gamma, caractéristiques de l’activité énergétique un peu partout dans l’univers. Lors de ces flares, le Soleil émet également des particules chargées énergétiques qui se propagent à travers le système solaire, alimentant ou renforçant un vent solaire quasi permanent (plasma magnétisé), qui forme autour des planètes une sorte de cocon protecteur. Certains flares sont toutefois très puissants et peuvent affecter notablement l’ionosphère terrestre, mais aussi indisposer momentanément, voire endommager durablement les satellites artificiels en orbite autour de la Terre. C’est pourquoi des programmes de "météo solaire" se développent pour prévenir ce genre d’événements énergétiques et protéger les satellites… ou les astronautes!

Mais la principale "violence" stellaire est cachée. Elle a lieu au cœur même des étoiles, et fournit toute l’énergie nécessaire au rayonnement continu d’une intensité lumineuse gigantesque. La puissance rayonnée par notre Soleil représente 400 milliards de milliards de mégawatts, et certaines étoiles sont près d’un million de fois plus puissantes encore! À la source de ce rayonnement se trouve l’énergie nucléaire. Les étoiles sont des réacteurs thermonucléaires à confinement gravitationnel, au cœur desquels des réactions de fusion libèrent de l’énergie à un rythme qui dépend essentiellement de leur masse. Mais paradoxalement, c’est lorsque l’activité de ce cœur stellaire en fusion cesse, faute de carburant, que se produit l’événement le plus spectaculaire de toute la vie d’une étoile massive : son explosion finale en supernova.

Car l’énergie fournie par les réactions nucléaires permet non seulement d’alimenter l’étoile, mais aussi de maintenir la matière stellaire à une température et donc à une pression telle que les couches supérieures ne peuvent pas s’affaisser vers le centre de l’étoile. Mais comme cela se produirait pour une balle de ping-pong maintenue en l’air par la pression d’un jet d’eau vertical dont on couperait brusquement l’alimentation, la cessation des réactions nucléaires au cœur de l’étoile se traduit inévitablement par son effondrement gravitationnel, rien n’empêchant plus désormais la chute de cette énorme quantité de matière vers un centre dont la densité ne fait alors que croître, croître encore, jusqu’à ce qu’un nouvel état de la matière apparaisse. Lors de cette transition, les électrons (de charge électrique négative) et les protons (de charge positive) disparaissent pour faire place à des neutrons (électriquement neutres) et à des neutrinos. Ces derniers, neutres également, très peu massifs et n’interagissant pratiquement pas avec la matière, s’échappent alors de l’étoile et se propagent radialement, droit devant eux, à travers l’espace. Dans le même temps, le cœur stellaire devenu compact manifeste une pression extrêmement élevée, qui met brutalement fin à l’effondrement. Les couches adjacentes de l’étoile rebondissent alors violemment, formant une onde de choc traversant les couches extérieures toujours en train de tomber vers le centre, mais qu’elle entraîne finalement avec elle. Cette onde de choc finit par balayer toute l’étoile, portant la matière à des températures extrêmement élevées et allumant même de nouvelles réactions nucléaires, avant de surgir finalement à l’extérieur de l’étoile et d’éjecter dans le milieu interstellaire une quantité considérable de matière, à des vitesses de l’ordre de la dizaine de milliers de kilomètres par seconde!

La violence de ce phénomène est considérable. Lorsqu’il se produit dans notre galaxie ou dans une galaxie voisine, une étoile nouvelle peut apparaître du jour au lendemain dans le ciel, plus brillante que la galaxie entière! C’est une supernova. L’énergie lumineuse qui l’accompagne est gigantesque, et prend sa source principale dans la décroissance des noyaux radioactifs produits au cours de l’explosion. Au total, une énergie correspondant à ce que rayonnerait le Soleil en 100 millions d’années est rayonnée par la supernova en seulement quelques jours! Mais cette énergie émise sous forme de lumière visible est en réalité négligeable pour la supernova. Une énergie cent fois supérieure est transmise à la matière éjectée lors de l’explosion, sous forme d’énergie cinétique, ce qui donne lieu à la formation d’une onde de choc gigantesque en expansion plus ou moins sphérique autour du vestige de l’étoile, qui ne se stabilisera qu’une centaine de milliers d’années plus tard, après avoir atteint un rayon de l’ordre de la centaine d’années-lumière! Et pourtant cette énergie cinétique est à son tour négligeable en comparaison de l’énergie émise sous forme de neutrinos – produits par le mécanisme précédemment évoqué – encore cent fois supérieure!

Chaque étoile massive – disons d’une masse supérieure à huit fois celle du Soleil – termine sa vie de cette façon. Mais à l’échelle humaine, ces phénomènes restent relativement rares. Il devrait y en avoir en moyenne deux par siècle dans notre galaxie. Mais le ciel est toujours capricieux : la dernière remonte à l’année 1605, à l’époque où Johannes Kepler régnait en maître sur l’astronomie occidentale et perçait le mystère des orbites planétaires. L’absence de supernovæ survenues dans notre galaxie depuis cette date est un peu intrigante : est-ce le simple fruit du hasard, ou bien se pourrait-il que certaines supernovæ passent finalement inaperçues, soit parce qu’elles se produisent au cœur de nuages denses absorbant leur lumière, soit pour une autre raison, à ce jour inconnue ? Les astronomes de la fin du vingtième siècle ont tout de même été gratifiés d’une supernova particulièrement remarquable, survenue en 1987 dans une petite galaxie voisine, le Grand Nuage de Magellan, et parfaitement visible à l’œil nu dans le ciel de l’hémisphère sud. Cette supernova, observée pour la première fois avec toute la panoplie des instruments de l’astronomie moderne, a revêtu une importance considérable pour les astrophysiciens. Elle a permis en particulier – pour la première fois dans l’histoire! – d’observer des neutrinos en provenance d’une source autre que notre propre soleil ou l’atmosphère terrestre.

Ces neutrinos, emportant l’essentiel de l’énergie libérée par la supernova, n’interagissent pratiquement pas avec la matière. Ils peuvent traverser la Terre ou même le Soleil sans en noter la présence : seule une fraction infime d’entre eux interagira de temps à autre. Mais la quantité de neutrinos émis lors de l’explosion de la supernova de 1987 fut telle que, même à une distance de 150 000 années lumières, les détecteurs terrestres ont pu en observer une dizaine – signature historique de l’un des événements les plus énergétiques du cosmos, trouvant pourtant sa source dans une simple étoile, et se déroulant sur quelques minutes à peine ! Cet événement marque l’ouverture d’une nouvelle fenêtre sur le ciel, d’une astronomie nouvelle spécialement adaptée à l’étude de l’univers violent et des mécanismes les plus énergétiques du cosmos : l’astronomie neutrino, qui devrait s’épanouir largement dans les décennies à venir…

Violence conjugale
Certaines étoiles moins massives qui, comme notre soleil, n’achèvent pas leur vie par une explosion aussi spectaculaire qu’une supernova, peuvent néanmoins subir des soubresauts extrêmement violents. Au cours de tels événements, une étoile pour ainsi dire éteinte peut retrouver brièvement un éclat considérable et se manifester à nouveau quelques jours dans le ciel, devenant ainsi une nova. Un mécanisme particulièrement intéressant, responsable de ces novæ, se produit lorsqu’une étoile ayant terminé sa vie nucléaire et ne brillant plus que faiblement de sa chaleur résiduelle, vit en couple avec une étoile encore vaillante et débordante de matière. Les couples d’étoiles sont très communs dans les galaxies : environ une étoile sur deux est associée à un compagnon. Les deux étoiles tournent alors dans une sorte de valse cosmique autour du centre de gravité du système. Lorsqu’une des deux étoiles se met à enfler, comme il arrivera par exemple à notre Soleil vers la fin de sa vie, l’autre peut recueillir une partie de la matière issue de ses couches supérieures : on dit qu’elle l’accrète. Lors d’un tel transfert de masse, la matière accrétée forme un disque mince en rotation autour de l’étoile (sous l’effet combiné de la force de gravité, de la force centrifuge et des forces de viscosité au sein de la matière). Le phénomène de nova peut se produire lorsque l’étoile accrétante est une naine blanche – une étoile éteinte, n’alimentant plus de réactions nucléaires en son sein, mais qui n’était pas assez massive pour s’effondrer sous son propre poids assez violemment pour exploser en supernova. Une telle étoile a en réalité brûlé tout son hydrogène au cours de sa vie, et n’est plus composée que d’éléments plus lourds (Hélium, Carbone, Oxygène…) qui nécessiteraient une température bien plus grande pour fusionner dans le feu nucléaire. Mais, petit à petit, la matière issue de l’étoile compagnon et composée essentiellement d’hydrogène s’accumule à la surface de la naine blanche. Lorsque la masse de cette nouvelle enveloppe d’hydrogène dépasse une valeur critique, disons 3 ou 4 fois la masse de la Terre, la température et la densité à la base de la couche accrétée deviennent suffisantes pour initier à nouveau la fusion de l’hydrogène. Une réaction en chaîne incontrôlée se déclenche alors et, très rapidement, c’est toute l’enveloppe d’hydrogène qui explose et se trouve éjectée à une vitesse supersonique de près de mille kilomètres par seconde!

Ce type de scénario, impliquant non pas un astre, mais deux, est relativement courant dans l’univers. Le plus souvent, le phénomène énergétique résulte de l’action conjointe des deux compagnons, mais n’affecte pas directement ces derniers. Il s’agit en quelque sort d’une violence conjuguée, plutôt que conjugale… Au cœur de ces processus impliquant deux acteurs distincts, on retrouve souvent le mécanisme d’accrétion/éjection, encore imparfaitement compris mais très important pour ce qu’on appelle communément l’astrophysique des hautes énergies. Dans ce type de mécanisme, l’astre principal (généralement le plus petit !) accrète de la matière venant de son compagnon et finit par l’éjecter violemment, soit par un processus explosif, comme dans le cas d’une nova, soit sous forme d’un jet bipolaire aligné sur l’axe de rotation de l’astre ou sur son axe magnétique. La matière éjectée le long de ce jet peut atteindre des vitesses extrêmement élevées, très proches de la vitesse de la lumière ! Différentes configurations sont possibles. Un cas relativement commun est celui où l’astre central est une étoile à neutrons, vestige d’une étoile ayant explosé en surpernova après un effondrement gravitationnel. Dans d’autres cas, l’étoile en question était si massive que l’effondrement s’est poursuivi au-delà du stade de l’étoile à neutron : un trou noir s’est formé! La matière s’est en quelque sorte repliée derrière un horizon gravitationnel, mais cela n’empêche en rien l’étoile compagnon de continuer à tourner autour de cette masse effondrée, et de l’alimenter de sa propre matière, via un disque d’accrétion "ordinaire".

Quelle que soit la nature de l’objet compact autour duquel se forme un tel disque d’accrétion, la matière qui s’y déverse acquiert une énergie considérable en "tombant" toujours plus profondément vers le centre. Il suffit de songer à l’énergie que peut atteindre une boule de billard après une chute d’une hauteur de un mètre, puis de dix mètres, puis de cent mètres, etc., pour imaginer l’énergie libérée par la chute de masses aussi considérables que celle d’une planète, tombant d’une hauteur qui se compte en milliards de kilomètres ! L’énergie disponible est véritablement colossale. Aussi le plasma constituant le disque d’accrétion est-il extrêmement chaud, au point d’émettre un rayonnement lumineux très énergétique, composé essentiellement de rayons X. Une partie importante de l’énergie est également rendue au milieu ambiant par l’intermédiaire des jets de matière évoqués ci-dessus. Parfois, à la suite d’instabilités dans le disque d’accrétion encore imparfaitement comprises, le processus s’emballe, ou se trouve pris en quelque sorte d’un hoquet. Il peut alors éjecter dans le milieu interstellaire de véritables boulets de canons cosmiques, pouvant avoir la masse de la Lune et se déplacer à 99% de la vitesse de la lumière !

On appelle de tels objets des micro-quasars. Devant pareille exubérance, le préfixe "micro" a bien de quoi surprendre… Il n’est pourtant pas employé par litote, mais parce qu’en dépit de leur puissance extraordinaire, ces objets sont des nains au regard des véritables monstres tapis au cœur de certaines galaxies, que l’on appelle communément quasars. Le mécanisme qui les alimente reste inchangé dans ses grandes lignes. De la matière tombe vers un astre central en formant un disque d’accrétion, et d’une manière ou d’une autre, des jets de matière relativiste (c’est-à-dire ayant une vitesse proche de celle de la lumière) se forment le long de l’axe de rotation, emportant avec eux une part de l’énergie libérée au cours du processus. Seulement cette fois, l’astre central n’est pas une étoile à neutron ou un simple trou noir de masse relativement modeste, formé par l’effondrement d’une étoile. Il s’agit d’un trou noir géant dont la masse se compte en millions de masses solaires, et peut même atteindre, dans certains cas, plus d’un milliard de fois la masse de notre étoile! Les conséquences astrophysiques sont alors à l’avenant. La puissance libérée est telle, que le rayonnement associé à un tel objet peut éclipser totalement celui de la galaxie qui l’abrite. C’est ainsi qu’on peut voir des quasars jusqu’aux confins de l’univers. Les dimensions de leurs jets sont également vertigineuses : alimentés plus ou moins continûment par le disque d’accrétion du trou noir supermassif central, ils peuvent s’étendre sur des millions d’années-lumières, avant de produire des ondes de chocs gigantesques dans le milieu intergalactique, où de nouveaux phénomènes très énergétiques se mettent en place.

Mais le gigantisme n’est pas toujours nécessaire à la manifestation de la violence cosmique. Nous avons vu le cas des novæ, dans lequel une étoile anodine – une naine blanche – accrète innocemment l’hydrogène de son compagnon à la surface de son corps éteint de carbone et d’oxygène. Tout se passe sans heurt jusqu’à ce que l’hydrogène surchauffé et surcomprimé s’enflamme brutalement en une violente explosion thermonucléaire. Mais lorsque la naine blanche possède une masse voisine de 1,3 fois la masse du Soleil, même une faible quantité de matière supplémentaire accrétée de son compagnon peut avoir des effets dévastateurs. Car un surcroît de masse en surface entraîne alors une surpression au cœur de l’astre, suffisante pour permettre soudain la fusion des atomes de carbone, jusqu’alors impossible. Cette fusion augmente encore la température, et favorise de nouvelles réactions nucléaires. En un instant, la machine s’emballe, les atomes fusionnent à un rythme effréné, produisant en bout de chaîne des noyaux de fer, tandis que la déflagration se propage jusqu’à la surface et que c’est finalement toute l’étoile qui explose, après avoir converti la moitié de toute sa matière en fer! Il s’agit là d’un nouveau type de supernova, très différent de celui évoqué dans le cas des étoiles massives arrivées en fin de vie et s’effondrant lourdement sur elles-mêmes avant d’exploser en un rebond phénoménal. Dans les deux cas, pourtant, l’étoile est volatilisée, et par un hasard intéressant, l’énergie cinétique de la matière éjectée alors à des vitesses supersoniques est à peu près similaire : trente milliards de milliards de milliards de milliards de kilowattheures!

Devant une telle débauche d’énergie, on imagine que l’étoile compagnon, à l’origine de l’excès de masse initial, peut subir elle aussi des dommages parfois considérables. Mais le cas le plus radical de violence stellaire conjugale est probablement celui où les deux compagnons sont des objets compacts: des trous noirs ou étoiles à neutrons. Dans ce cas, il ne peut y avoir un astre qui "déborde" sur son voisin, et le mécanisme habituel d’accrétion ne se met pas en place. En fait, on peut dire qu’il ne se passe rien : les deux corps célestes tournent l’un autour de l’autre, et passent essentiellement inaperçus. Sauf qu’à force de tourner ainsi, ils rayonnent peu à peu de l’énergie, et à mesure que la ronde perd de la vigueur, la danse se resserre, se resserre encore, jusqu’à ce que les corps se mêlent, et alors… c’est l’explosion! Il est très difficile de décrire précisément la manière dont se déroule la fin du processus, mais l’énergie qu’elle doit libérer est sans nul doute considérable. En fait, on estime que la coalescence de deux étoiles à neutrons suivant un scénario de ce type pourrait être responsable d’un type d’événements particulier, représentant une classe spécifique de ce qu’on appelle les "sursauts gamma" – probablement les événements les plus puissants du cosmos!

Zoom : Les sursauts gamma : une violence encore à déchiffrer…


L’astronomie de la violence

Nous n’avons pu aborder ici que quelques aspects de cet "univers de la violence" encore très mystérieux et dont la découverte est en fait très récente. La plupart de ces sources dites de haute énergie étaient encore inconnues il y a moins d’un demi-siècle, ou même une dizaine d’années. La raison principale en est que ces sources sont très peu intenses, voire invisibles pour l’astronomie traditionnelle, opérant dans une gamme de fréquence ou de longueur d’onde de la lumière correspondant au domaine visible – auquel l’œil humain est sensible. Mais avec le développement de l’astronomie spatiale et des techniques de détections issues de la physique des particules, il est devenu possible d’observer le ciel dans des domaines de longueur d’onde beaucoup plus courte – ou, si l’on préfère, de fréquences beaucoup plus grandes –, correspondant aux rayons X et aux rayons gamma. Ces domaines sont ceux des photons les plus énergétiques, et c’est là que se manifestent le plus directement les phénomènes associés aux événements violents du cosmos.

Plus généralement, on peut distinguer une astronomie "thermique", correspondant aux émissions des différents corps ou matières célestes en raison de leur température (comme dans le cas du rayonnement étoile), d’une astronomie « non-thermique » correspondant aux rayonnements produits par de la matière n’étant pas à l’équilibre thermique, c’est-à-dire essentiellement par des particules énergétiques accélérées ici ou là dans l’univers. Ces particules peuvent avoir des énergies très diverses, depuis les énergies relativement faibles caractéristiques de la radioactivité ordinaire, jusqu’à des énergies comparables à celles qui sont atteintes dans les plus puissants accélérateurs de particules terrestres, mais aussi bien au-delà, jusqu’à des énergies des centaines de millions de fois supérieures, véritablement macroscopiques. Ces particules énergétiques peuvent bien sûr interagir de diverses façons avec le milieu ambiant dans lequel elles se propagent. Ce peut être l’environnement astrophysique local dans lequel elles ont été accélérées, ou encore la matière interstellaire ou les champs de rayonnement qui emplissent les galaxies et l’univers. Parmi les mécanismes les plus significatifs, citons notamment le rayonnement synchrotron (interaction des électrons énergétiques avec le champ magnétique), le rayonnement "Compton inverse" (interaction avec les photons ambiants), ou encore le rayonnement "Bremsstrahlung" (interaction avec les noyaux du gaz environnant).

Ces rayonnements s’étendent sur toute la gamme du spectre électromagnétique, des ondes radios aux photons gamma, en passant par l’infrarouge, le visible, l’ultraviolet et les rayons X. C’est la raison pour laquelle l’étude des sources les plus puissantes de l’univers se fait de plus en plus dans le cadre de ce qu’on appelle l’astronomie multi-longueur d’onde, qui tente de recueillir le maximum d’informations sur une source donnée en multipliant les points de vues, c’est-à-dire en croisant les informations recueillies à partir de photons de toutes les longueurs d’ondes possibles. Cette approche a permis des progrès considérables au cours des quelques dernières années, et le domaine de l’astrophysique des hautes énergies est en plein essor, tant par l’accroissement des performances des instruments que par l’augmentation quasi exponentielle du nombre de sources observées, qui en est bien sûr une conséquence directe.

Mais déjà les astronomes voient plus loin, et s’apprêtent à étendre cette astronomie multri-longueur d’onde à une "astronomie multi-messager", particulièrement adaptée à l’étude de l’univers violent. Cette astronomie nouvelle, à peine émergente, ne se limitera plus à l’analyse des photons, ces messagers lumineux envoyés par les sources, mais associera également les messagers neutrinos, les messagers "rayons cosmiques" (notamment les protons de très haute énergie qui pourraient nous parvenir des sources les plus énergétiques), et même à l’avenir, qui sait, les messagers "ondes gravitationnelles", ces ondes de distorsion de l’espace-temps inhérentes à la théorie de la Relativité Générale élaborée il y a près d’un siècle par Albert Einstein.

Cet "univers de la violence" offre donc une vision très particulière et tout à fait nouvelle de l’univers, siège d’événements cataclysmiques intenses et pouvant se dérouler sur des échelles de temps très courtes, en dépit du sentiment d’éternité et d’infinité que nous procure traditionnellement le cosmos. Une étoile ayant vécu des millions d’années sans que son état, interne ou externe, ne se modifie perceptiblement, peut soudain s’effondrer, rebondir et exploser, émettant en quelques instants plus d’énergie qu’elle n’en a rayonné depuis sa naissance. Pour mener à bien l’étude de ces sources et de nombreuses autres qui se manifestent sous nos yeux parfois incrédules, une astronomie nouvelle se met peu à peu en place, qui pourrait nous réserver encore bien des surprises et avoir des répercussions inattendues sur la cosmologie et la physique fondamentale. Les astronomes et astrophysiciens des hautes énergies n’en sont encore qu’au stade de l’exploration, mais n’est-ce pas justement ce qui rend ce domaine de recherche si fascinant ?