La recherche japonaise sur l’explosion des supernovas : le mystère en voie d’élucidation

De la pierre philosophale aux secrets de l’univers

John Maynard Keynes, le père de la macro-économie, a commencé un traité avec cette phrase inhabituelle : « C’est avec quelques réticences que je tente de vous parler… d’Isaac Newton tel qu’en lui-même. »

Cet essai, intitulé Newton, the Man (« Newton, l’homme »), était consacré au fondateur de la science moderne. En 1936, quelques années avant que Keynes écrive ce texte, une boîte contenant des essais de Newton avait été mise en vente aux enchères chez Sotheby par un descendant du comte de Portsmouth. Keynes acheta environ la moitié des essais, dont plusieurs manuscrits sur l’alchimie, qui étaient parsemés de références codées à des « lions verts » et des « putains sordides ». Keynes a écrit qu’il pensait que Newton « avait un pied dans le Moyen-âge et un pied qui ouvrait un chemin pour la science moderne. »

En fait, au XVII^e siècle, Newton recherchait une « pierre philosophale » capable de changer les métaux ordinaires en or et de conférer l’immortalité à l’espèce humaine. Vers la fin de sa vie, il investit une grande partie de son temps et de son argent dans l’alchimie, avant de sombrer, dit-on, dans la folie suite à un empoisonnement au mercure.

Mais pourquoi un savant aussi estimé s’était-il absorbé dans la quête de l’occulte ? À l’issue d’une première phase de consternation, certains historiens des sciences ont émis l’hypothèse que, après avoir découvert les lois de l’univers qui gouvernent la masse (les lois de la gravitation universelle), Newton a tenté de formuler une théorie de la matière. Ces historiens supposent que Newton nourrissait l’espoir que l’alchimie le mènerait au cœur de cette question fondamentale : « De quoi la matière est-elle faite ? »

Mais Newton est arrivé 300 ans trop tôt : ce n’est pas avant le XX^e siècle que la physique nucléaire, la physique des particules et la théorie du big bang ont apporté un début de réponse à sa question. Maintenant seulement avons nous accumulé suffisamment de connaissances, via l’astronomie des neutrinos, pour explorer ce mystère.

Le Japon à la pointe de la recherche sur les neutrinos

Bien des gens ont entendu parler de la recherche sur les neutrinos (l’une des unités de base de la matière dont l’univers est constitué) menée par Koshiba Masatoshi et Kajita Takaaki, les deux célèbres physiciens japonais titulaires du prix Nobel, ou tout du moins ces noms leur sont-ils familiers. En 1987, les deux physiciens ont réussi, grâce au Kamiokande, à observer les neutrinos émis par l’explosion d’une supernova, après quoi Koshiba, le chercheur en chef, s’est vu décerner le prix Nobel de physique en 2002. Cette reconnaissance, qui a eu des répercussions en chaîne au Japon, a débouché sur la construction du Super Kamiokande (ou « Super-K »), une installation 25 fois plus grosse, mise en marche en 1996. Suite à cela, le prix Nobel de physique a été décerné à Kajita en 2015 pour son étude des vibrations indiquant la masse des neutrinos. C’est ainsi que la recherche japonaise sur ces particules a fait des progrès considérables.

L’intérieur du Super Kamiokande, profond de 41 mètres, pendant des travaux de maintenance, effectués en 2018, pour lesquels environ 4 mètres d’eau ont été enlevés. (Avec l’aimable autorisation de l’Observatoire de Kamioka, Institut de recherche sur les rayons cosmiques, Université de Tokyo)

Les neutrinos ont la réputation d’être l’une des particules les plus difficiles à observer. Par exemple, les neutrinos qui atteignent la Terre ont très probablement été créés dans le soleil. Alors que chacun d’entre nous est bombardé par des centaines de milliards de neutrinos par seconde, 99, 999999999999999999999 % (un nombre à 23 neufs !) d’entre eux nous traversent sans interaction. En fait, seule une moyenne d’un neutrino tous les 50 ou 100 ans entre en collision avec l’un des noyaux atomiques, ou électrons, dont notre corps est constitué. On voit donc que toute forme de réaction mettant en jeu un neutrino relève du miracle.

Toutefois, comme l’explique Nakahata Masayuki, le directeur du Super Kamiokande et de l’Observatoire de Kamioka, les 50 000 tonnes d’eau ultra-pure contenues par le Super Kamiokande sont en mesure d’intercepter quotidiennement une vingtaine de neutrinos en provenance du soleil et une dizaine en provenance de l’atmosphère.

Nakahata Masayuki nous fait visiter le Super Kamiokande. Sous ses pieds se trouve le réservoir d’eau géant.

Un aperçu sur les fournaises de l’univers

Que la capture de neutrinos nous dit-elle donc de l’espace ?

« Pour commencer, il vous faut un minimum de connaissances sur l’histoire de l’univers, dit Nakahata. L’univers a vu le jour il y a 13,8 milliards d’années, avec le big bang, qui a essentiellement produit de l’hydrogène et de l’hélium. Générés par la fusion nucléaire et les explosions de supernovas, les éléments les plus lourds sont alors apparus à l’intérieur des astres. On pense que ces éléments plus lourds que le fer, notamment l’or et l’argent, ont été synthétisés instantanément lors de l’explosion de supernovas en fin de vie – des astres d’une masse huit fois supérieure à celle de notre soleil – et au sein des environnements à haute pression générés par les fusions d’étoiles à neutrons. »

Autrement dit, ce n’est pas sur la Terre, mais dans les explosions de supernovas et autres « fournaises » de l’univers qu’il fallait chercher la « pierre philosophale » capable de synthétiser l’or.

Les forces de la gravitation finissent par amener les éléments que ces explosions ont dispersés à travers l’univers à se rassembler, et à former ainsi de nouvelles étoiles, qui finissent par arriver à la fin de leur vie et explosent à leur tour. Autrement dit, si l’on compare les éléments les plus légers à des instruments de musique à tonalité aigue et les plus lourds à des instruments à tonalité grave, on peut dire qu’à chaque fois qu’une étoile meurt et renaît, elle acquiert davantage d’éléments lourds et enrichit ainsi le timbre de l’univers.

Il en découle que le système solaire, la Terre et même nos corps contiennent toute une gamme d’éléments, y compris les quantités nécessaires d’oligo-éléments, et que ce cycle spectaculaire de création et destruction leur est bénéfique.

Où au juste la création de ces éléments prend-elle place dans l’histoire de l’univers ?

« Le neutrino est la clef qui nous permet de bien comprendre à quoi ressemble l’explosion d’une supernova, dit Nakahata. Lors de l’explosion d’une supernova, une énorme quantité d’énergie est libérée, mais elle est dispersée à 99 % à travers l’espace sous forme de neutrinos. Formés juste avant l’explosion, au cœur de l’étoile, ces neutrinos sont expulsés sans interaction avec la matière environnante. Ils constituent notre seul accès direct à ce qui se passe à l’intérieur d’une explosion de supernova. »

Mais somment attrape-t-on une particule capable de passer au travers de tout ? La réponse à cette question réside dans le détecteur à neutrinos enfoui dans le sous-sol de la région de Kamioka, à Hida, dans la préfecture de Gifu.

Cette galerie de mine creusée dans le mont Ikeno mène au Super Kamiokande.

Scruter l’univers depuis une mine souterraine

À la fin du mois d’octobre, le flanc de la montagne vire à l’orange et au rouge. Avec ses nombreuses maisons anciennes, le village voisin est nimbé d’une atmosphère traditionnelle. Le resplendissant mont Ikeno se dresse au-dessus d’une ancienne mine de zinc et de plomb. Descendez dans la galerie de mine, rectiligne et totalement obscure, et, au bout de 1,7 kilomètres, vous atteindrez le centre de la montagne. Dans un recoin du sombre tunnel, baignée dans la froidure de l’air, une porte s’ouvre sur un monde d’une extrême précision.

Une fois franchie la porte, on entre dans une vaste pièce surmontée d’une coupole. En dessous, la roche a été excavée pour recevoir un réservoir cylindrique d’un rayon de 39,3 mètres et d’une profondeur de 41,4 mètres – suffisamment grand pour contenir trois versions du Bouddha géant de Kamakura empilés les uns sur les autres, et même la statue de la Liberté, dont seule émergerait la torche. En dépit de la grande taille de la caverne, la dureté du gneiss dans lequel elle a été creusée garantit qu’il n’existe aucun risque d’effondrement.

L’entrée de l’observatoire, un kilomètre sous terre

Le réservoir d’observation vidé de toute son eau pour des travaux de maintenance. (Avec l’aimable autorisation de l’Observatoire de Kamioka, Institut de recherche sur les rayons cosmiques, Université de Tokyo)

Sur les parois de la cuve, sont accrochés 11 129 photomultiplicateurs (capteurs de lumière) de 50 centimètres de diamètre, qui ressemblent à de gigantesques ampoules. Chacun d’entre eux est si sensible qu’il détecterait la lumière émise sur la Lune par une lampe de poche. Les ampoules, soigneusement façonnées par des artisans verriers, sont revêtues d’une pellicule d’or qui donne aux parois une apparence éthérée de dorure mate. (En dehors des périodes de maintenance, toutefois, la cuve est plongée dans une obscurité totale, et l’alignement des ampoules dorées est donc invisible.)

La cuve contient environ 50 000 tonnes d’eau ultra-pure. Lorsqu’il arrive qu’un neutrino entre en réaction avec l’eau, il émet un cône de lumière bleutée de l’effet Cherenkov. Les photomultiplicateurs alignés sur les parois de la cuve servent à capter cette très faible lumière.

L’extérieur de chacun des tubes photomultiplicateurs est l’œuvre d’un maître verrier.

Écran affichant les neutrinos détectés. Les cercles en haut et en bas représentent le haut et le bas de la cuve, tandis que l’ovale au centre correspond aux données provenant de sa partie cylindrique.

En août 2020, les chercheurs se sont lancés dans une opération visant à renforcer la capacité de l’observatoire à détecter les neutrinos : ils ont dissout du gadolinium (élément chimique de numéro atomique 64) dans l’eau de la cuve du Super Kamiokande de façon à obtenir une concentration égale à 0,01 % du fluide. Grâce à cette initiative, l’observatoire est désormais en mesure de discerner les différents types de réactions des neutrinos.

Nakahata explique : « Ceci nous permet de nous assurer de la direction d’une explosion de supernova. Le fait que les supernovas émettent des neutrinos lorsqu’elles explosent a été démontré par SN 1987A, la supernova dont la lumière a atteint la Terre en 1987, mais Kamiokande n’a détecté que 11 de ces particules, et le chiffre cumulé des observatoires américains et russes a plafonné à 24. Certes, l’ajout de gadolinium n’augmentera pas le nombre des neutrinos détectés, mais en revanche, du fait que nous avons désormais 25 fois plus d’eau — et du fait aussi que la Voie lactée est plus proche que le Grand Nuage de Magellan, où a eu lieu SN 1987A —, s’il se produit une explosion de supernova dans notre propre galaxie, Super Kamiokande devrait nous permettre de détecter quelque 10 000 neutrinos. Pour plusieurs centaines d’entre eux, nous devrions en outre être en mesure de détecter la direction. Nous serons ainsi à même de localiser la supernova. »

Autre conséquence de l’amélioration de la sensibilité, il est possible que l’observatoire soit en mesure de détecter non seulement les explosions de supernovas à l’intérieur de la Voie lactée, mais encore, un petit nombre de fois par an, le halo diffus de neutrinos généré par d’anciennes explosions de supernovas.

« L’univers contient des milliers de milliards d’astres lourds qui ont donné lieu à des explosions de supernovas, ce qui veut dire que l’histoire de l’univers a été le théâtre d’une quantité considérable d’explosions. L’expansion de l’espace a généré un glissement vers le rouge des longueurs d’ondes des neutrinos émis par les explosions de jadis. Aussi diffuses soient elles, ces particules continuent de flotter autour de l’univers. C’est le halo de neutrinos de supernovas. En capturant ces particules, nous serons à même de déterminer l’ampleur des explosions qui les ont générées, et de dater ces explosions. »

Les chercheurs utilisent cet appareil pour injecter du gadolinium dans la cuve.

Les scientifiques du monde entier peuvent contrôler l’observatoire à distance.

Un domaine de recherches qui vous aspire

Nous avons demandé à Nakahata pourquoi il avait choisi ce domaine de recherches.

Sans sourciller, il a répondu : « On ne vit qu’une fois, et j’ai décidé de miser sur quelqu’un comme Koshiba Masatoshi. »

Nakahata a entendu parler de l’ambitieux et paternel Koshiba alors qu’il était en train de choisir un domaine de recherche pour son troisième cycle. Koshiba l’ayant assuré que Kamiokande allait très bientôt recevoir un prix Nobel pour ses travaux sur la désintégration du proton, son intérêt s’éveilla et il décida de s’engager dans ce projet. Mais les années passèrent sans que le moindre cas de désintégration d’un proton fût observé...

« J’ai tout d’abord pensé qu’on m’avait pris pour un pigeon », dit Nakahata.

Nakahata Masayuki

Mais il s’avéra que le vrai talent de Koshiba résidait dans son aptitude intarissable à produire de nouvelles idées. Ayant décidé que l’équipe devait se réorienter vers la capture des neutrinos, Koshiba modifia l’observatoire en conséquence. Un an plus tard, quand des neutrinos émis par l’explosion d’une supernova au sein du Grand Nuage de Magellan, une nébuleuse proche de la Voie lactée, ont atteint la Terre, l’équipe a été la première au monde à observer des neutrinos provenant de l’espace.

Nakahata ne pouvait s’empêcher de penser que son groupe de recherche avait eu beaucoup de chance. Les explosions de supernovas ne sont pas tellement fréquentes. Dans la Voie lactée, dont la Terre fait partie, il faut attendre de 30 à 50 ans entre deux explosions de ce genre. Et si l’on se limite aux événements visibles à l’œil nu, ce délai passe à 400 ans. Par une autre heureuse coïncidence, Nakahata a été la première personne au monde à obtenir les données brutes d’une explosion de supernova, suivi en cela par un étudiant en troisième année de doctorat chargé de l’analyse des données.

« Quand j’ai découvert ces 10 secondes de signaux extrêmement forts dans les données du 23 février 1987 à 16 h 35 et 35 secondes, mon cœur a fait un bon. »

L’événement a eu lieu juste trois minutes après une interruption de deux minutes dans les données, comme le recalibrage des capteurs en provoque toutes les deux heures. Si les collisions de neutrinos s’étaient produites dans cet interstice, l’équipe n’aurait pas été en mesure de collecter les données. Nakahata a éprouvé un grand soulagement quand il s’est aperçu à quel point il l’avait échappé belle.

L’agglomérat de points au milieu de la photographie représente une explosion de supernova. L’espace vide en dessous correspond à une interruption du flux de données due à un recalibrage intervenu quelques minutes plus tôt.

« Ce qui s’est passé, c’est que je ne pouvais pas joindre Koshiba, vu qu’il était parti faire un séjour dans une source thermale à Hakone », déclare Nakahata en riant. « Je suppose que personne n’a imaginé, même en rêve, que cela nous conduirait à recevoir le prix Nobel. »

La semaine suivante, quand Nakahata a fait part des résultats de son analyse à Koshiba, celui-ci, loin de manifester la moindre émotion, lui a confié une nouvelle tâche : « Vous n’avez que deux jours de données. Je veux que vous vous remettiez à l’ouvrage et analysiez toutes les autres données enregistrées par Kamiokande pour vérifier qu’il n’y a pas eu d’autres événements. »

Ainsi, tous les jours de la semaine suivante, Nakahata a travaillé jusque tard dans la nuit, repassant des centaines de cassettes de données tout en rédigeant sa thèse. Les résultats de ses recherches apportaient la preuve que, pour la toute première fois, des neutrinos en provenance d’une explosion de supernova avaient été détectés.

En revenant sur sa carrière au Kamiokande et au Super Kamiokande, Nakahata dit avec un sourire : « Par la suite, nous avons obtenus des résultats encore plus inattendus, et les choses sont devenues très intéressantes. »

En 2027, la recherche sur les neutrinos va faire un pas en avant avec l’achèvement du Hyper Kamiokande, l’installation de 260 000 tonnes qui prendra le relai du Super Kamiokande. Les chercheurs vont se servir de cette installation pour tenter d’élaborer une théorie unifiée des particules élémentaires et de l’histoire de l’univers.

« Notre quête se poursuit. J’espère que les gens apprécieront l’exaltation et l’esprit d’aventure qui l’animent, et je veux que davantage de jeunes gens s’investissent dans le domaine de la recherche », dit Nakahata, dont les yeux brillent d’un éclat intense que ne parvient pas à cacher la douceur de son regard.

Nakahata et son équipe en train d’installer des tubes photomultiplicateurs. (Avec l’aimable autorisation de l’Observatoire de Kamioka, Institut de recherche sur les rayons cosmiques, Université de Tokyo)

Le 12 novembre 2020, Koshiba Masatoshi, professeur émérite à l’Université de Tokyo, père de l’astronomie des neutrinos et fer de lance de la recherche mondiale sur les neutrinos, est décédé. On se souviendra de lui pour ses réussites scientifiques. Qu’il repose en paix.

(Photo de titre : le réservoir d’observation dont l’eau a été enlevée pour raison de maintenance, avec l’aimable autorisation de l’Observatoire de Kamioka, Institut de recherche sur les rayons cosmiques, Université de Tokyo. Sauf indication contraire, toutes les photos sont de Hashino Yukinori,  Nippon.com.)