polarimétrie astrophysique

Le ciel nocturne semble paisible, mais en réalité, des particules invisibles — les rayons cosmiques — nous traversent en permanence. Parmi elles, on trouve des électrons et leurs antiparticules, les positrons.

Sur le mur, des bandes claires et sombres. Voilà à quoi ressemble la lumière qui s'annule elle-même. Dès le XVIIe siècle, Christiaan Huygens avait suggéré que la lumière était une onde.

La lumière issue des tout débuts de l'univers voyage vers nous depuis 13,8 milliards d'années. Pendant ce temps, sa polarisation — la direction de ses oscillations — a pu subir une rotation, comme l'aiguille d'une boussole qu'on aurait discrètement tournée. Ce phénomène est appelé par les physiciens biréfringence cosmique.

Une lampe de poche ordinaire émet une lumière dont les ondes oscillent dans toutes les directions à la fois. Mais si l'on fait passer la lumière à travers un filtre spécial, on obtient un faisceau qui oscille strictement dans un seul plan — c'est la lumière polarisée.

Au centre de nombreuses galaxies tournent des toupies cosmiques d'une puissance incroyable — les trous noirs supermassifs.

L'univers résonne de silence. La part du lion de la matière — environ 85 % — reste invisible, ne se manifestant que par la gravité. Déjà Vera Rubin avait montré que les galaxies tournent comme si une masse invisible les enveloppait.

Un trou noir n'est pas simplement une silhouette sombre sur fond d'étoiles. Son ombre est entourée d'un fin anneau lumineux de photons qui tournent autour de l'horizon des événements avant de s'échapper vers l'observateur.

Dans un système binaire serré, une étoile chaude, tel un projecteur, éclaire son compagnon plus froid. Une partie de la lumière est diffusée par les électrons libres de son atmosphère — c'est la diffusion de Thomson — et acquiert une polarisation linéaire.

Une toupie qui tourne si vite qu'elle fait vriller la lumière autour d'elle en spirales : voilà une image parlante de ce qui se passe à l'horizon d'un trou noir. Le plasma incandescent y tombe en émettant des ondes radio. Leur polarisation (c'est-à-dire le plan dans lequel oscille l'onde) devient une flèche qui indique la direction du flux d'énergie.

Les géantes rouges sont des étoiles vieillissantes qui ont gonflé. Dans leurs entrailles bouillonne un océan de plasma : la chaleur remonte du noyau vers la surface, engendrant des vagues semblables à un puissant ressac.

Les ondes gravitationnelles sont un frémissement de l'espace-temps lui-même. D'habitude, on n'en perçoit que le bourdonnement global, mais chaque onde possède aussi une direction d'oscillation : la polarisation.

Le faisceau d'une lampe de poche glisse sur un verre irrégulier. Le verre, ce sont les amas massifs de galaxies, et la lampe de poche, c'est la lumière ancienne née peu après le Big Bang. En passant près de ces amas, la lumière ne se contente pas de les contourner comme l'eau contourne une pierre.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, ils secouent la trame même de la courbure de l'espace-temps. Le géant nouveau-né ne se calme pas instantanément – il résonne, telle une cloche cosmique, émettant un motif caractéristique d'ondes gravitationnelles amorties : le fameux ringdown.

Le bras d'une rivière d'étoiles contourne le centre d'une galaxie lointaine, telle une bande lumineuse sur une monture invisible. Cette monture, c'est le halo sombre : un immense nuage de matière noire invisible qui, par son attraction, retient les étoiles et le gaz.

L'étoile à neutrons 4U 1735-44 avale la matière d'une étoile voisine. Cette matière s'enroule en un disque plat, comme l'eau qui s'engouffre dans le drain d'une baignoire. Mais ce disque brille en rayons X, et pour la première fois, les astronomes ont pu mesurer à quel point ces rayons sont « peignés », c'est-à-dire polarisés.

La collision de particules à très grande vitesse produit une pluie de nouvelles particules. Parmi elles, les antiprotons, jumeaux des protons ordinaires, mais avec une charge opposée. Chaque particule possède une rotation propre, comme une balle de tennis envoyée avec un effet. Mais personne n'a encore vérifié si les antiprotons naissent avec une rotation.

Autour des jeunes étoiles tourbillonnent des disques de gaz et de poussière — le matériau de construction des futures planètes. À l'intérieur de ces disques, les grains de poussière ne volent pas au hasard : ils s'alignent le long de lignes invisibles où le gaz s'écoule.

On peut façonner un faisceau lumineux pour qu'il ressemble à une fleur à plusieurs pétales. Si l'on fait passer ce faisceau à travers un nuage d'atomes de rubidium refroidis et que l'on active un champ magnétique, les pétales se mettent à tourner. L'angle de rotation est directement lié à l'intensité du champ.

Le faisceau d'une lampe de poche dans le brouillard se décompose en des milliers de petites taches faibles. Chacune d'elles est de la lumière qui a été réfléchie de nombreuses fois par les gouttelettes d'eau avant d'atteindre l'œil. Pour démêler ce désordre, les physiciens établissent un tableau particulier : la matrice de diffusion.

La lumière d'un laser, c'est comme une rangée parfaitement alignée de soldats lors d'une parade : toutes les ondes oscillent dans un même plan. On dit d'une telle lumière qu'elle est polarisée.

Une étoile à neutrons de la taille d'une ville tourne plus vite qu'un mixeur de cuisine et projette des particules autour d'elle. Un nuage lumineux se forme alors — on l'appelle le halo de pulsar. La forme de ce nuage dépend des champs magnétiques invisibles qui, comme les courants océaniques, guident les particules.

Le Soleil n'est pas une sphère tranquille. À l'intérieur, des ondes se propagent en permanence, comme dans une cloche après un coup. Ces oscillations remontent à la surface et révèlent ce qui se passe sur la face cachée, invisible. Les astronomes savent depuis longtemps « écouter » cette sonnerie et y repérer de grands groupes de taches.

Selon la théorie d'Einstein, les objets massifs provoquent une courbure de l'espace-temps, un peu comme une boule lourde déforme une feuille de caoutchouc. En accélérant, ils créent des ondulations — les ondes gravitationnelles, semblables aux cercles que fait une pierre jetée dans un étang.

Jetez une poignée de cailloux dans un étang : les cercles qui se propagent se croisent, créant des remous et des accalmies. C'est à peu près ce que font les ondes gravitationnelles, prédites par Einstein. Seulement, ce n'est pas l'eau qui oscille, mais l'espace-temps lui-même.

Dans l'immense accélérateur de particules, où des protons lancés à une vitesse proche de celle de la lumière percutent une cible de néon, naissent des baryons charmés — des particules qui vivent moins d'un milliardième de seconde.

Dans le nuage sombre L43, où naissent les étoiles, les grains de poussière tourbillonnent comme de minuscules boussoles. La lumière d'une jeune étoile les pousse, tandis que le champ magnétique les aligne dans une direction précise.

La lumière de l'étoile HD 163296 traverse le disque de gaz et de poussière qui l'entoure, comme le faisceau d'une lampe de poche traverse une eau trouble.

Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Il traverse les vêtements, le papier et le plastique, mais est arrêté par l'eau et le métal. C'est pourquoi ces ondes sont utilisées dans les scanners de sécurité et pour le contrôle qualité des matériaux.

Le fond diffus cosmologique est une faible lueur qui subsiste après le Big Bang, comme la trace d'un feu qui se refroidit. Il renferme le code des ondes gravitationnelles qui ont pu naître dans les premières fractions de seconde, lorsque l'Univers s'est gonflé plus vite que la lumière.

La lumière des galaxies lointaines traverse les lentilles d'un télescope comme à travers une pile de vitres. Chaque vitre est recouverte d'un film mince pour réduire les reflets. Mais ce film agit comme un filtre polarisant : une composante de l'onde lumineuse passe un peu plus facilement, l'autre un peu moins.

Jetez des cailloux le long d'une rangée serrée de poteaux : ils ricochent en un jet dense. Jetez-les en biais, et ils se dispersent. Les rayons gamma dans un cristal font de même : ils engendrent des cascades de particules qui s'étalent à moins que les rangées atomiques du cristal ne soient parfaitement alignées. Alignez-les à un cheveu près, et la cascade se resserre en un faisceau étroit.

Le Soleil n'est pas une simple boule, mais un manoir magnétique. Ses fils de force invisibles, comme un câblage électrique, traversent l'espace et gouvernent la météo cosmique. Mais jusqu'ici, nous ne voyions ce câblage que depuis le palier — le plan de l'orbite terrestre. Le rôle du grenier et de la cave, les pôles magnétiques, restait un mystère.

Un trou noir ne se contente pas d'aspirer la matière — tel un vortex cosmique géant, il courbe le tissu même de la réalité et force les rayons lumineux à contourner sa masse, les concentrant en un foyer.

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire. Une des hypothèses : ce serait de minuscules trous noirs, nés au moment du Big Bang. Avec une masse d'astéroïde et une taille plus petite qu'un atome, ils traversent les planètes sans laisser de trace.

Dans un aimant ordinaire, tous les spins des électrons (les petites « flèches » magnétiques internes, découvertes par Wolfgang Pauli) pointent dans la même direction. Les altermagnets, comme le MnTe, sont plus complexes : l'orientation de ces flèches alterne, telle une ondulation à la surface de l'eau après qu'on y a jeté une pierre.

Dans la nuit du 9 au 10 mars 2024, un nuage de plasma éjecté par le Soleil filait loin de l'astre. Il avait déjà dépassé une distance de cinq rayons solaires lorsque le réseau au sol de 352 antennes, dans la vallée Owens en Californie, a capté de lui un bref signal radio.

Le télescope ACT, dans le désert chilien d'Atacama, a scruté le ciel de 2007 à 2022. Son objectif : le fond diffus cosmologique, cette lumière qui voyage vers nous depuis 13,8 milliards d'années.

Le spectre des électrons cosmiques, c'est comme des empreintes digitales sur une scène de crime. Les particules qui arrivent des profondeurs de la Galaxie portent dans leurs énergies les traces de ceux qui les ont engendrées.