accrétion de trou noir

Au centre d'une galaxie naine ultra-compacte (un système stellaire très dense de quelques dizaines d'années-lumière) fonctionne un aspirateur. Sauf qu'au lieu de la poussière, il aspire le gaz que rejettent les étoiles mourantes.

Un trou noir apparié à une étoile fonctionne comme une pompe : il aspire le gaz de sa compagne, le fait tourbillonner en un disque lumineux et, de temps à autre, éjecte une partie de la matière sous forme de deux jets étroits. En 2021, le système 4U 1543-475 a offert un tel spectacle.

Dans la fournaise de la formation stellaire, la température atteint 900 degrés — comme dans un haut-fourneau incandescent. C'est dans cette chaleur extrême que naissent les cristaux cosmiques.

Mai 2022. Le polarimètre spatial IXPE, le spectroscope NuSTAR et le moniteur NICER fixent simultanément le même point du ciel — le trou noir du système Cygnus X-1, où il orbite autour d'une supergéante bleue dans une binaire serrée avec une période de 5,6 jours.

Un marathon de 13 milliards d'années a commencé avec des poids différents. Cent masses solaires, c'est plus léger qu'un nuage de gaz. Cent mille, c'est la domination gravitationnelle, comparable à un éléphant parmi des chatons. C'est ainsi que se présentaient les graines de trous noirs qui, à notre époque, devaient se transformer en géants supermassifs.

Un trou noir est un endroit d'où rien ne peut s'échapper. Mais certaines théories suggèrent qu'en profondeur, au niveau quantique, il pourrait rebondir et se transformer en son opposé : un trou blanc, qui ne fait qu'expulser de la matière et de la lumière. Une équipe de physiciens a construit un modèle informatique de cette transformation.

L'eau se transforme en glace à zéro degré — brusquement, sans états intermédiaires. Quelque chose de similaire se produit avec la complexité lorsque l'on prend un état quantique aléatoire d'un système entier et que l'on ne regarde qu'une partie de celui-ci. Tant que cette partie occupe moins de la moitié du système, sa complexité croît régulièrement.

Un essaim de particules invisibles minuscules — tel un nuage de pollen — dérive dans l'espace. Sur son chemin se trouve un trou noir. Certaines particules tombent dedans et disparaissent à jamais, d'autres contournent le piège et s'envolent. Les physiciens ont construit une carte qui montre exactement combien de matière sera avalée et combien survivra.

Il y a dix milliards d’années, l’Univers était parsemé d’étranges étincelles écarlates. Le télescope James Webb les a repérées sur les images de lointains décalages vers le rouge — des sources compactes brillant comme des galaxies entières, mais à peine plus grandes qu’une région minuscule en leur centre.

L'Univers primordial, à décalage vers le rouge z>7, était le théâtre d'une croissance effrénée : des trous noirs atteignant un milliard de masses solaires brillaient déjà comme des quasars, engloutissant le gaz à une vitesse prodigieuse. Comment ces géants ont-ils pu grandir en si peu de temps ?

Le trou noir n'est pas un vide figé, mais un moteur magnétique vivant. Son « cœur » — le disque d'accrétion — pulse : à l'inspiration, la matière s'enroule en entonnoir ; à l'expiration, la reconnexion magnétique déchire les lignes de champ, et le plasma jaillit loin de l'horizon.

Le cœur de nombreuses galaxies abrite un trou noir supermassif. Il ne reste pas simplement assis au centre : il s'embrase parfois violemment en avalant le gaz environnant.

Le télescope spatial James Webb a repéré dans les profondeurs du cosmos des objets étonnants : de petits points rouges qui brillent si intensément qu'on dirait un projecteur caché dans une ampoule minuscule.

L'eau se précipite dans un gouffre, mais une partie remonte en bouillonnant et en écumant au bord. C'est à peu près ce que fait le gaz qui s'écoule vers un trou noir supermassif lorsque son flux devient trop dense. Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont suivi ce phénomène à l'aide d'une simulation informatique.

Un aspirateur puissant aspire non seulement la poussière, mais aussi son propre sac à poussière. C'est à peu près ce que fait un trou noir au centre d'un « point rouge » — une galaxie lointaine où la lueur ne provient pas du trou lui-même, mais de son épaisse couche de gaz. Cette couche est si épaisse qu'elle ressemble à une étoile froide gonflée.

Une éponge jetée dans un seau d'eau absorbe avidement l'humidité et gonfle à vue d'œil. Mais si l'on ajoute constamment de l'eau et que l'on comprime puis relâche l'éponge, l'absorption devient plus difficile et dure plus longtemps. C'est à peu près ainsi que se comportaient les minuscules trous noirs au tout début de l'Univers.

Une lanterne brille à travers un épais brouillard. La lumière se diffuse sur les gouttelettes d'eau et la lanterne paraît floue. Autour d'un trou noir, il se passe quelque chose de semblable : un gaz brûlant, tel un brouillard, l'enveloppe, et les rayons X provenant des régions internes du disque traversent ce nuage.

Un trou noir n'est pas simplement une sphère sombre dans l'espace. Si du gaz et de la poussière se trouvent à proximité, ils s'enroulent en un disque plat et lumineux qui tombe progressivement vers l'intérieur. Ce disque, telle une lampe, éclaire le trou lui-même, et sur ce fond brillant on distingue son ombre — une silhouette sombre aux bords nets.

Un puits sans fond — mais pas tout à fait. Un trou noir ordinaire possède une frontière, l'horizon des événements, au-delà de laquelle rien ne revient. Et si on retirait cette frontière ?

Le ciel nocturne semble immobile, mais parfois une étoile se met soudain à s'embraser. C'est ce qui est arrivé au système AT 2019wey : il a été repéré par le télescope TESS, qui cherche habituellement des planètes autour d'autres étoiles, mais qui, par hasard, photographiait la bonne région du ciel toutes les demi-heures.

La Terre, dans sa jeunesse, ressemblait à une ruche : elle grandissait en agrégeant d'innombrables blocs de pierre. Une fois la construction principale achevée, un essaim tardif de météorites s'est abattu sur la jeune planète – ce qu'on appelle le grand bombardement tardif.

Lors de l'éruption de 2021, le trou noir du système GX 339-4 s'est comporté comme une actrice qui change de costume entre les scènes. Dans l'état dur, il arborait deux couronnes à la fois : une chaude et ténue, et par-dessus, une tiède et dense. Dans l'état mou, seule la couronne chaude subsistait.

En 2026, dans le système binaire GS 1354-64, un trou noir s'est réveillé : il a commencé à attirer la matière de son étoile compagne, et un disque incandescent s'est mis à tourbillonner autour de lui.

L'eau dans un entonnoir ne descend pas entièrement : une partie jaillit vers le haut en fines giclées. Le gaz près d'un trou noir se comporte de la même manière. Il tombe, s'échauffe, entre en collision avec lui-même — et une partie est éjectée dans l'espace en deux jets étroits qui partent dans des directions opposées.

Un trou noir n'est pas seulement une poubelle cosmique, c'est plutôt un coffre-fort à code secret. Pendant des décennies, on a pensé que tout signal envoyé vers l'horizon des événements était partiellement réfléchi : l'espace-temps courbe agit comme un miroir déformant, et une partie de l'énergie repart toujours en arrière.

À environ 25 000 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Sagittaire, un voile dense est enroulé autour de l'étoile à neutrons GX 13+1. Il diffuse les photons de rayons X comme un brouillard diffuse la lumière d'un réverbère, et il a longtemps caché aux astronomes la puissance réelle de la source.