25 ans, une bascule : quand le Soleil semblait peut-être éteint… et révélait une nouvelle physique

Dans un précédent article, nous avions expliqué que l'année 2026 non seulement marque les 25 ans de Futura, mais aussi les 70 ans de la découverte du neutrino. Au cours de ces 25 ans, l'actualité en astronomie et physique des particules nous a donné, à plusieurs reprises, l'occasion de revenir sur ce qui avait été appelé l'énigme des neutrinos solaires, énigme qui, comme nous l'expliquions, a suggéré que le Soleil était peut-être déjà éteint.

« Absurde ! » répondront lecteurs et lectrices, car nous voyons bien que le Soleil brille et sans que l'on ait pu noter depuis des siècles une baisse de sa luminosité. Et pourtant, même si l'idée a été reprise par la science-fiction, elle a été sérieusement considérée par des astrophysiciens.

Comme l'explique la vidéo de l'Observatoire de Paris ci-dessous, il faut savoir que les photons émis par les réactions de fusion thermonucléaire au cœur du Soleil, réactions également productrices de neutrinos, ont mis environ 1 million d'années pour voyager de ce cœur à la surface du Soleil, entrant sans cesse en collision avec les protons et les électrons du plasma solaire.

Capsule vidéo conçue dans le cadre de l'exposition « Prendre Le Soleil » au Hangar Y, à Meudon, en partenariat avec l'Observatoire de Paris (16 décembre 2023 au 21 avril 2024). © LIRA - Observatoire de Paris-PSL

Le mystérieux déficit des neutrinos solaires

Les neutrinos étant bien plus pénétrants, ils peuvent sortir en quelques secondes, de sorte que si les réactions de fusion étaient en diminution rapide depuis quelques millénaires, nous ne le saurions pas encore. Or, au cours des décennies qui ont suivi la démonstration de l'existence des neutrinos au début des années 1950, des détecteurs de neutrinos chassant ceux du Soleil ont bel et bien montré qu'il y en avait moins que prévu par la théorie, accréditant ainsi l'idée que le Soleil était peut-être quasiment éteint. Pour être un peu plus précis, ce que l'on a ensuite appelé « l'énigme des neutrinos solaires » a été découvert dans les années 1960 par les physiciens Ray Davis et John N. Bahcall, le premier d'un point de vue observationnel et le second d'un point de vue théorique.

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Les premiers calculs effectués par John Bahcall pour prédire le flux rayonné, en relation avec la structure du Soleil et ses réactions nucléaires, avaient donc conduit à une anomalie. Seulement un tiers de ce qui était prédit avait été mesuré sur Terre par Ray Davis et ses collègues (1968).

Pendant un temps, personne n'a compris ce qui se passait car après vérification, notamment par le légendaire Richard Feynman, tous les calculs semblaient exacts et l'expérience de Ray Davis menée dans l'ancienne mine d'or d'Homestake, située à Lead dans le Dakota du Sud aux États-Unis, sans défaut également.

Les réactions thermonucléaires du Soleil. Celles à l’origine des neutrinos solaires sont en jaune. © John Bahcall

Un modèle solaire confirmé par l'héliosismologie

Si la théorie des réactions thermonucléaires à l'intérieur du Soleil utilisant la physique connue des neutrinos était apparemment très solide, peut-être fallait-il revoir la théorie de la structure du Soleil, mais comment sonder sa structure interne ? Il se trouve que quelques décennies plus tard c'est devenu de plus en plus réalisable et réalisé grâce à l'essor d'une nouvelle astronomie. 

En effet, dès les années 1990, les progrès en héliosismologie (voir la vidéo ci-dessous de Jean-Pierre Luminet) avaient permis de sonder l'intérieur du Soleil, comme les géophysiciens l'avaient fait sur Terre avec les ondes sismiques, montrant un excellent accord avec la théorie standard de la structure interne du Soleil.

Enfin, les progrès dans la détermination du spectre en énergie des neutrinos détectés sur Terre s'accordaient bien avec cette structure et la température élevée prédite par le modèle standard, indiquant que la solution de l'énigme devait bien se trouver dans la direction d'une nouvelle physique des neutrinos.

Jean-Pierre Luminet nous parle de l'héliosismologie. © Jean-Pierre Luminet, YouTube

Des neutrinos différents qui se métamorphosent

Or, au cours des décennies après 1956, on finit par découvrir l'existence de deux autres types de neutrinos. Le premier était associé à l'électron. Mais, de même qu'il existe deux cousins de l'électron, des leptons plus lourds, le muon et le tauon (aussi appelé tau), il existe des neutrinos muoniques et tauiques, qui interviennent dans les réactions dites faibles entre les particules élémentaires. 

À l'origine de leur découverte, on trouve la mise au point de faisceaux de neutrinos et les noms de Leon Lederman et Jack Steinberger pour le muon et le neutrino muonique, et enfin de Martin Perl pour le tau.

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Frederick Reines et Martin Perl recevront d'ailleurs le prix Nobel de physique pour ces travaux. Notons tout de même que le neutrino tau lui-même n'a été observé directement pour la première fois qu'en 2000, avec l'expérience Donut.

Le physicien Bruno Pontecorvo, ancien élève de Fermi, est l’un des pères de la théorie du neutrino. Il a figuré parmi les premiers à supposer que les neutrinos pouvaient se convertir périodiquement les uns dans les autres. © Samoil Bilenky, John Bahcall

En réalité, l'existence d'au moins deux neutrinos avait été proposée avant la découverte des autres neutrinos par le physicien d'origine italienne Bruno Pontecorvo.

Bruno Pontecorvo et Vladimir Gribov en Russie (1969) étaient même allés beaucoup plus loin, puisqu'ils avaient émis l'hypothèse que si les neutrinos possédaient une faible masse, ils pouvaient osciller en se transformant les uns dans les autres au cours du temps. Cette hypothèse d'oscillation des neutrinos tombait à point pour expliquer le déficit des neutrinos solaires découvert par Raymond Davies.

La solution de l'énigme est finalement bien venue de l'introduction d'un processus d’oscillation des états des différents types de neutrinos se convertissant les uns dans les autres périodiquement et qui a été observé à l'aide de différentes expériences, en particulier Super-Kamiokande (Japon) et l'Observatoire de neutrinos de Sudbury, en Ontario (Canada). Comme les détecteurs utilisés n'étaient sensibles qu'à l'une des trois formes de neutrinos, clairement, une partie du flux initial qui s'était convertie temporairement en une autre espèce lors du voyage du Soleil vers la Terre devait échapper aux observations.

Olivier Drapier, chercheur au laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique, CNRS, nous parle des neutrinos, ces particules de matière que l'on peut utiliser pour étudier les étoiles et l'Univers. © École polytechnique

Bien des recherches sur les neutrinos et leurs oscillations se sont poursuivies depuis 50 ans. Ils peuvent nous renseigner sur bien des choses, le Big Bang, l'antimatière, les supernovae, la matière noire et même l'intérieur de la Terre comme Futura l'a expliqué dans plusieurs articles.

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