Ayez pitié du pauvre astronome. Les biologistes peuvent tenir des exemples de vie entre leurs mains. Les géologues peuvent remplir des armoires à spécimens avec des roches. Même les physiciens peuvent sonder des particules subatomiques dans des laboratoires construits ici sur Terre. Mais tout au long de son histoire millénaire, l’astronomie a toujours été une science de la séparation. Aucun astronome ne s’est tenu sur les rives d’une exoplanète extraterrestre en orbite autour d’une étoile lointaine ou n’a vu de près une nébuleuse interstellaire. À part quelques ondes lumineuses capturées traversant le grand vide, les astronomes n’ont jamais eu un accès intime aux environnements qui stimulent leur passion.
Jusqu’à récemment, c’est. Au tournant du XXIe siècle, les astrophysiciens ont ouvert une ère nouvelle et inattendue pour eux-mêmes : l’expérimentation en laboratoire à grande échelle. Des machines à haute puissance, en particulier certains très gros lasers, ont fourni des moyens de recréer le cosmos, permettant à des scientifiques comme moi d’explorer certains des environnements les plus spectaculaires de l’univers dans des environnements confinés et contrôlés. Les chercheurs ont appris à faire exploser des mini supernovas dans leurs laboratoires, à reproduire des environnements autour d’étoiles naissantes et même à sonder le cœur d’exoplanètes massives et potentiellement habitables.
Comment nous en sommes arrivés là est l’une des grandes histoires de la science et de la synergie. L’émergence de cette nouvelle astrophysique basée sur des laboratoires à grande échelle était un effet secondaire imprévu d’un voyage scientifique beaucoup plus large, plus chargé et maintenant tout à fait dans l’actualité : la quête de la fusion nucléaire. Alors que l’humanité a travaillé pour capturer l’énergie des étoiles, nous avons également trouvé un moyen de faire descendre les étoiles sur Terre.
Le mois dernier, en grande pompe, les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory ont annoncé qu’ils avaient franchi une étape importante de la fusion. Pour la première fois, plus d’énergie est sortie d’une expérience de fusion qu’elle n’en a été investie. Bien que le monde soit encore probablement à des décennies de tout type de générateur d’énergie à fusion fonctionnel, l’expérience a été une percée scientifique, nous rapprochant un peu plus de la propreté. et une énergie essentiellement illimitée grâce à des réactions de fusion auto-entretenues. Pour y parvenir, les chercheurs se sont appuyés sur des lasers pour recréer un lieu où se produisent déjà des réactions de fusion thermonucléaire : le cœur du soleil. Ils ont concentré les lasers sur de minuscules pastilles d’hydrogène, imitant les températures et les densités extraordinairement élevées du soleil pour presser les noyaux d’hydrogène dans l’hélium et déclencher des réactions de fusion.
Les stars ne livrent pas facilement leurs secrets. Les lasers utilisés sont de la taille d’une usine qui nécessitent une puissance énorme pour faire leur travail. C’est au cours du processus de construction de ces machines lumineuses à plusieurs étages que les scientifiques ont réalisé qu’ils construisaient aussi accessoirement un outil sans précédent pour étudier les cieux. Appelé High Energy Density Laboratory Astrophysics, ou HEDLA, le domaine qui a émergé autour de ces lasers a donné aux astronomes de toutes nouvelles façons de pratiquer leur métier.
Les travaux ont commencé sérieusement au début des années 2000 avec l’enquête sur l’un des événements les plus énergétiques du cosmos : les supernovas, les explosions titanesques qui mettent fin à la vie des étoiles massives. Les supernovas sont entraînées par de puissantes ondes de choc qui se développent dans le noyau d’une étoile, puis se propagent vers l’extérieur, soufflant les couches externes de l’étoile dans l’espace. Les éléments lourds contenus au plus profond d’une étoile sont la clé de la vie qui finit par se former quelque part, donc une question de longue date pour les astronomes est de savoir si le souffle d’une supernova mélange les éléments centraux d’une étoile avec ses éléments de surface plus légers, et à travers ce mélange disperse l’essentiel -à la vie des éléments plus lourds à travers le cosmos. En travaillant ensemble, les astronomes et les physiciens du plasma de fusion ont recréé les couches d’une étoile en miniature avec de fines bandes de plastique et un matériau moins dense, semblable à de la mousse. Puis ils ont zappé les sandwichs mini-stars avec les gros lasers à fusion. De puissantes ondes de choc se sont formées qui ont déchiré les cibles et les ont déformées comme du carton mouillé. Il s’est avéré que le mélange entre les couches était réel. Les expériences ont confirmé une grande partie de la carte des astronomes sur la façon dont les éléments sont cyclés autour de la galaxie.
C’était une direction passionnante pour l’astronomie. Non seulement les astronomes pourraient désormais bricoler avec des trucs d’étoiles dans un laboratoire; ils pourraient le faire encore et encore. En ajustant une variable après l’autre, ils pouvaient mener de véritables expériences terrestres, tester des hypothèses et regarder les résultats se dérouler sous leurs yeux. Bientôt, ils ont développé des plates-formes expérimentales pour étudier un large éventail d’environnements astronomiques, y compris les disques de gaz tourbillonnants qui accompagnent la formation des étoiles et la collision de nuages interstellaires géants. HEDLA a encore des limites ; tous les phénomènes astrophysiques ne peuvent pas être étudiés en laboratoire. Les effets gravitationnels forts, par exemple, ne peuvent pas être capturés, car ils auraient besoin de la masse d’une étoile, et aucune agence de financement ne paie pour cela. L’astuce pour les astrophysiciens a été de trouver un chevauchement entre les questions auxquelles ils veulent répondre et les conditions extrêmes que les machines à fusion géantes peuvent créer.
Un sweet spot dans le diagramme de HEDLA Venn réside dans la recherche de mondes lointains où la vie extraterrestre pourrait se former. Au cours des dernières décennies, une «révolution exoplanétaire» a révélé que presque chaque étoile du ciel héberge sa propre famille de mondes. Parce que la vie a presque certainement besoin d’une planète pour apparaître, comprendre les différentes conditions sur tous ces mondes extraterrestres est devenu la plus haute priorité sur la liste des choses à faire des astronomes. Jusqu’à présent, bon nombre des exoplanètes que nous avons découvertes sont des bêtes étranges qui semblent très différentes des huit mondes en orbite autour de notre soleil. Les plus importantes sont les super-Terres, des planètes pesant de 2 à 10 fois la masse de notre monde. Nous n’avons pas ce genre de planète dans notre système solaire, et pourtant elles s’avèrent être le monde le plus commun de l’univers. Alors, quel genre de planète est une super-Terre ? Cette abondance de mondes génériques vaut-elle la peine d’être sondée pour la vie extraterrestre ?
Les conditions à la surface d’une planète, où la vie se formera, dépendent fortement de ce qui se passe au plus profond de celle-ci. Des milliers de kilomètres plus bas, les pressions sont si élevées que les roches sont comprimées jusqu’à ce qu’elles suintent comme de l’asphalte par une journée brûlante et que le fer se liquéfie. Dans certaines circonstances, les mouvements tourbillonnants de cette soupe fondue génèrent des champs magnétiques protecteurs à l’échelle de la planète qui soutiennent la vie. C’est là qu’interviennent les lasers haute puissance d’HEDLA : ils s’avèrent être un outil unique et parfait pour sonder les pressions profondes à l’intérieur des planètes. En utilisant les lasers pour presser des échantillons de roches et de métaux à ces pressions planétaires profondes, les chercheurs peuvent voir comment les échantillons se comportent, découvrir leur résistance à l’écoulement (important pour la tectonique des plaques) ou leur capacité à conduire l’électricité (important pour la génération de champ magnétique) .
C’est aussi là que j’interviens. Les recherches que mes collègues et moi menons font partie d’une campagne pluriannuelle et multi-institutions financée par la National Science Foundation pour faire de HEDLA un outil principal pour comprendre les conditions planétaires, y compris celles des super-Terres. Une expérience récente dans le cadre de cette initiative, en fait, a utilisé la même énorme installation de 192 faisceaux laser au Lawrence Livermore National Laboratory de Californie où la récente percée de la fusion s’est produite – le grand papa de tous les gros lasers. Les chercheurs voulaient comprendre comment le fer réagirait aux pressions de la super-Terre, car le fer liquide tourbillonnant dans les noyaux planétaires est la clé pour créer des champs magnétiques planétaires. Le fer reste-t-il liquide à l’intérieur d’une super-Terre, ou « gèle-t-il » avec le temps, se solidifiant en un réseau cristallin qui tuerait toute possibilité de champ magnétique ? Conduisant le fer à des pressions 10 millions de fois la pression de surface de la Terre, l’étude a suivi exactement quand le fer est passé de l’état liquide à l’état solide. À partir de ces données, l’équipe a découvert que les super-Terres peuvent garder leurs noyaux liquides assez longtemps pour que les champs magnétiques offrent un milliard d’années ou plus de protection planétaire. Si ces résultats se confirment, ces grandes planètes pourraient avoir les bonnes conditions non seulement pour laisser la vie se former, mais aussi pour qu’elle évolue et prospère.
Des expériences comme celle-ci montrent à quel point le nouveau domaine de l’astrophysique de laboratoire a progressé en seulement quelques décennies. C’est une histoire de convergence et même de passage à l’âge adulte. Il y a près d’un siècle, les astrophysiciens ont découvert la physique des réactions thermonucléaires dans les étoiles. Leurs efforts ne visaient pas à alimenter un jour les villes de l’humanité, mais à répondre à une ancienne question cosmique : qu’est-ce qui fait briller les étoiles ? Ce n’est qu’après l’avènement des armes nucléaires de la guerre froide que certains scientifiques ont commencé à explorer les possibilités de l’énergie de fusion pacifique. Maintenant, en nous rapprochant un peu plus d’une énergie abondante et propre, nous avons réduit notre propre séparation du pouvoir des étoiles et du cosmos dans son ensemble.
L’univers est plus que jamais entre nos mains. Et en capturant ne serait-ce qu’une partie de ses capacités dans nos laboratoires, nous nous rappelons à quel point il a toujours été vaste et magnifique.
