évolution stellaire binaire

Dans le nuage dense de gaz et de poussière où naissent les étoiles massives, deux jeunes étoiles se sont récemment frôlées de très près. Leur danse ne dure qu'une soixantaine d'années, et pour la première fois, les astronomes en ont observé les détails.

Un récepteur radio accordé sur une station se met soudain à capter une autre, parce qu'une main invisible tourne le bouton de réglage.

Imaginez deux toupies lancées sur une table. Si elles tournent dans le même sens, leur rotation totale est grande ; si elles tournent en sens inverse, la rotation totale peut être nulle, alors que chaque toupie tourne rapidement individuellement. Dans une paire d'étoiles à neutrons qui se rapprochent avant la fusion, ces toupies sont leurs rotations propres, c'est-à-dire leurs spins.

Le sculpteur façonne des montagnes avec des champs magnétiques et de la chaleur, mais la pierre résiste. Une étoile à neutrons — résidu superdense d'une explosion de supernova — dans un système binaire aspire de la matière de l'étoile voisine.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé au point qu'une cuillère à café de sa matière pèserait aussi lourd qu'une montagne. À l'intérieur d'un tel objet, les protons et les neutrons sont tassés au plus près, et sous une pression énorme, des hyperons peuvent y apparaître — des particules contenant un quark étrange.

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre comme des danseurs qui se rapprochent puis s'éloignent. Avec le temps, l'une enfle et ses couches externes se déversent sur sa voisine. Celle qui reçoit la matière étrangère ne se distingue en rien d'une étoile solitaire — mais sa surface se souvient de tout.

Les Céphéides sont des étoiles qui pulsent avec une régularité étonnante : leur éclat varie comme celui d'un phare, et la période d'oscillation est liée à la densité moyenne de l'étoile. Dans les systèmes binaires où la Céphéide est éclipsée par son compagnon, les astronomes peuvent mesurer précisément le rayon et la masse de l'étoile.

Au cœur des nuages moléculaires se cachent des amplificateurs naturels : les masers cosmiques. Ils fonctionnent comme des lasers, mais dans le domaine radio : des molécules excitées émettent ensemble des ondes de même fréquence, créant un faisceau lumineux intense.

La collision de galaxies ressemble à une danse lente où deux partenaires se rapprochent progressivement. Au centre de chacune se cache un trou noir supermassif — un volant d'inertie invisible pesant des millions ou des milliards de soleils.

Couche après couche, artefact après artefact — l'archéologue reconstitue l'histoire d'un ancien village. Ainsi, les astrophysiciens, en analysant les 259 enregistrements de LIGO–Virgo–KAGRA, ont vu une structure stratifiée claire parmi les trous noirs en fusion.

Il faut presque deux mois au couple stellaire J05+50 pour boucler une orbite autour de leur centre commun. Depuis la Terre, il apparaît comme un point faible dans la constellation d’Hercule, à 4625 parsecs de nous. La photométrie de l’étoile binaire ne montre qu’un lent balancement de luminosité, tel le pouls d’un cœur géant.

Il y a un quart de siècle, Michel Mayor et Didier Queloz découvraient la première exoplanète de type Jupiter chaud — et brisaient tous les canons de la formation planétaire.

Deux sphères hyperdenses, chacune de la taille d'une ville, tournent en une danse. Leur masse est inférieure à celle du Soleil, mais à l'intérieur, la matière est comprimée à des limites inimaginables. L'une est une étoile à neutrons, l'autre une étoile étrange, entièrement composée de quarks (les particules élémentaires qui constituent les protons et les neutrons).

Au cœur de presque chaque galaxie sommeille un trou noir supermassif — chef d'orchestre invisible de l'orchestre stellaire. Lorsque les galaxies entrent en collision, leurs monstres centraux se rapprochent, s'enlaçant dans une danse gravitationnelle.

Quand nous plongeons notre regard dans le cosmos, nous voyons le passé. La loi d'Edwin Hubble transforme le décalage vers le rouge en machine à remonter le temps : la lumière de la galaxie UDS 12999 a mis 7,6 milliards d'années pour nous parvenir — plus de la moitié de la vie de l'Univers.

Deux trous noirs se croisent à toute vitesse, comme des bolides de course sur des voies opposées. En relativité générale standard, ils restent « chauves » — aucun champ supplémentaire n'apparaît autour d'eux. Mais si l'on ajoute aux équations un champ scalaire (sorte de brume invisible qui imprègne l'espace), les règles changent.

Un manège : une structure légère est plus facile à faire tourner, une massive l'est moins. C'est à peu près ce qui se passe pour les étoiles à neutrons, ces vestiges ultra-denses d'étoiles explosées. Des astronomes ont examiné une cinquantaine de systèmes binaires où une étoile à neutrons orbite autour d'une autre, et ils ont remarqué : plus l'étoile est massive, plus sa période de rotation est longue.

Un trou noir, telle une fileuse, enroule autour de lui un nuage de particules légères — les axions. Ces particules sont les principaux candidats pour la matière noire. Le nuage obéit aux lois de la mécanique quantique, rappelant un atome géant : il y a des niveaux, des transitions entre eux.

Deux soleils morts dansent une valse éternelle. Leur orbite est un métronome parfait, qui mesure le temps avec la précision d'une horloge atomique. Mais même les étoiles mortes ont leurs tremblements.

Deux aimants se percutent dans une pièce sombre, se collent en une boule — et un bruit sourd retentit. C'est à peu près ce qui se passe avec les trous noirs, sauf qu'au lieu d'aimants, ils ont une charge électrique, et au lieu d'un bruit, une onde gravitationnelle.

Lorsque deux étoiles à neutrons tournent l'une autour de l'autre, leurs corps ne restent pas des sphères rigides. La gravité du compagnon étire chaque étoile, créant des bourrelets de marée — un peu comme la Lune soulève l'eau des océans terrestres.

Au centre d'une galaxie lointaine, un trou noir supermassif est entouré d'un disque plat en rotation composé de gaz et de poussière — un gigantesque entonnoir de matière cosmique. Dans ce disque peut se trouver un petit objet compact, par exemple un autre trou noir de masse stellaire.

Lorsque deux étoiles superlourdes tournent l'une autour de l'autre dans une danse serrée, l'espace autour d'elles tremble. Ce tremblement — les ondes gravitationnelles — est capté par de gigantesques détecteurs sur Terre.

Les vagues trient les galets sur une plage de sable. Les petits cailloux sont serrés les uns contre les autres, presque identiques en taille. Un peu plus loin du rivage, on trouve un mélange de plus gros et de plus variés. Et au bord de l'eau, là où les vagues sont les plus fortes, s'accumulent les plus gros blocs, bien arrondis.

Quand un piano tombe dans un précipice, on pense au précipice. Pas à la housse qui recouvre le piano. De la même manière, les astrophysiciens ont pendant des décennies observé les rencontres extrêmes entre de petits corps et de grands trous noirs. Ce qui les intéressait, c'était le trou noir lui-même et ce qui tournait autour.

Les soufflets de forge attisent le feu en expulsant brusquement l'air. Dans l'espace, le rôle de ces soufflets est joué par l'onde de choc d'une supernova — concept introduit par Fritz Zwicky : elle rattrape une bulle géante de particules chargées et de champs magnétiques formée autour d'une…

Lorsque deux étoiles à neutrons — comprimées à la taille d'une ville — se rapprochent dans une danse finale, l'espace-temps autour d'elles s'anime, émettant des ondes gravitationnelles.

Imaginez un funambule en équilibre au-dessus d'un gouffre. Chaque pas modifie la tension du fil, et le moindre déplacement du centre de gravité peut être fatal.

Les détecteurs captent les « ondulations » des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs ou d'étoiles à neutrons — comme un écho de la cuisine où se prépare un plat cosmique.

Les paires de trous noirs dansent de trois façons différentes avant de fusionner. La première est une valse élégante : les objets tournent dans le même sens, comme des partenaires qui se regardent. Ces paires naissent d'étoiles binaires et ont souvent des masses inégales.

En 2017, les détecteurs ont capté un frémissement de l'espace — les ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les télescopes ont aussitôt repéré un éclair de lumière : une explosion cosmique que les astronomes ont baptisée kilonova.

Deux patineurs tournent sur la glace. L'un, léger et prudent, tourne à peine. L'autre, massif et rapide, tourne à toute allure, et même dans des directions différentes. C'est à peu près le tableau que dressent les ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de trous noirs.

Dans l'espace, on rencontre souvent des paires de trous noirs en fusion où l'un est nettement plus massif que l'autre. Cette différence de poids n'est pas qu'un simple chiffre : c'est une clé pour comprendre leur histoire commune.

Deux boules massives tournent non pas sur un cercle régulier, mais sur un ovale très aplati, tantôt se rapprochant, tantôt s'éloignant. C'est à peu près ainsi que se comportent les paires de trous noirs sur des orbites allongées.

Le phare clignote régulièrement une fois par seconde. S'il se déplace en cercle, ses éclats arrivent tantôt un peu plus tôt, tantôt un peu plus tard – et trahissent un compagnon invisible. C'est exactement ainsi que les astronomes ont démasqué le compagnon caché de l'étoile IY Lyrae.

Si l'on frappe une cloche, elle émet un son à une hauteur donnée. Si l'on y ajoute un second battant, et qu'ils sonnent sans se toucher, le son devient plus complexe. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'étoile à neutrons de cette nouvelle étude.

Deux trous noirs qui tournent l'un autour de l'autre se comportent comme un bateau qui rame avec des étoiles. Chaque étoile qui passe est rejetée, comme un coup de rame, et transmet de l'impulsion à la paire. On a longtemps pensé que cela ne faisait que rapprocher les trous noirs.

Lorsque deux trous noirs supermassifs tournent l'un autour de l'autre avant de fusionner, ils secouent l'espace lui-même — comme un bateau à moteur qui laisse des vagues derrière lui sur un lac. Ces vagues sont appelées ondes gravitationnelles. Elles traversent l'Univers et tout ce qui s'y trouve, même la Terre.

La dernière moisson d'ondes gravitationnelles a apporté son lot de mystères. Les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont capté des dizaines de signaux provenant de fusions de trous noirs, et sur le graphique de leurs masses, un vide béant apparaît : les objets plus lourds que 45 Soleils sont presque inexistants, et ceux qui existent…

Un filet de pêche est tendu dans les profondeurs du cosmos. Lorsqu'une étoile massive meurt, elle laisse derrière elle un trou noir – un plomb dans ce filet. En général, ces plombs pèsent de quelques à des dizaines de masses solaires.