interaction binaire de trous noirs

En 2015, les détecteurs LIGO ont pour la première fois capté les vibrations de l'espace provoquées par la fusion de deux trous noirs.

Deux trous noirs tournent dans une danse cosmique, se rapprochant en spirale. Au final, ils fusionnent en un seul — et cet instant produit une puissante onde gravitationnelle, une ondulation de l'espace-temps lui-même. Et que reste-t-il après la fusion ?

Les tout premiers instants après le Big Bang : l'espace se dilate à toute allure — les physiciens appellent cette période l'inflation. À l'intérieur de ce tissu en expansion, telles des bulles de savon dans un jet d'air, des régions de nouveau vide commencent à germer — c'est une transition de phase de première espèce.

Trois millisecondes avant la fusion. Un immense trou noir en rotation frénétique attire une étoile à neutrons — une boule de la taille d'une ville mais d'une masse équivalente à une fois et demie celle du Soleil. Les forces de marée étirent l'étoile en un filament aussi fin qu'une aiguille et dispersent la matière.

L'Univers réécrit son histoire sans cesse. Là où l'astronomie classique ne voit qu'un point — un trou noir — les ondes gravitationnelles dévoilent les fines couches du passé, comme sur un ancien palimpseste.

Dans l'océan du cosmos, chaque tempête de naissance ou de fusion de trous noirs supermassifs engendre une ondulation — des ondes gravitationnelles qui se propagent à la vitesse de la lumière. Pendant des milliards d'années, ces ondes se superposent et se fondent en un grondement basse fréquence, tel un ressac lointain.

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.

Les fusions de trous noirs, prédites par Karl Schwarzschild, sont la principale source d'ondes gravitationnelles captées par les détecteurs LIGO.

L'Univers parle le langage des ondes gravitationnelles — les frémissements de l'espace-temps lui-même.

Une patineuse tourne sur la glace, quittant progressivement son orbite. C'est ainsi qu'une petite étoile ou un trou noir, en orbite autour d'un trou noir massif, perd de l'énergie. Il émet des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace-temps que les détecteurs sur Terre capturent.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont enregistré une impulsion étrange : le signal GW241011. Deux trous noirs ont fusionné, mais la paire semblait inhabituelle : l'un des trous était environ trois fois plus léger que l'autre, et l'ensemble du système tournait rapidement.

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.

Un bourdonnement parcourt tout l'Univers. Ce n'est pas un son, mais un frémissement de l'espace lui-même — le fond d'ondes gravitationnelles. Il est créé par des paires de trous noirs supermassifs qui tournent l'un autour de l'autre au centre de galaxies lointaines. Chaque paire est comme un instrument grave dans un immense orchestre.

Deux trous noirs tournent dans une danse lente, se rapprochant progressivement. Leur mouvement perturbe l'espace-temps lui-même, comme si deux boules lourdes roulaient sur un drap tendu, le faisant vibrer. Ces vibrations, nous les appelons ondes gravitationnelles.

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.

Au cœur dense d'un amas d'étoiles, trois trous noirs s'engagent dans une danse dangereuse. Le mouvement est chaotique – les trajectoires s'emmêlent comme des pelotes de laine. Puis l'un des trous s'échappe, tandis que les deux autres restent sur une orbite allongée.

Jetez un caillou dans un étang — des cercles se propageront à la surface. De la même manière, un corps massif en orbite autour d'un trou noir perturbe le tissu de l'espace-temps, engendrant des ondes gravitationnelles.

Le 14 mai 2019, les détecteurs LIGO ont enregistré un sursaut gravitationnel qui sortait de l'ordinaire. L'événement GW190521 s'est présenté comme la collision de deux trous noirs de 85 et 66 masses solaires.

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.

D'ordinaire, les trous noirs se rapprochent progressivement, tournoyant dans une spirale qui se resserre. Cette danse engendre une longue ondulation d'ondes gravitationnelles — un frémissement dans la trame de l'espace-temps elle-même.

Deux boules électrisées s'attirent avec une certaine force. Si l'on remplace leurs charges par des pôles magnétiques, un dynamomètre à ressort indiquera exactement la même force. Avec les trous noirs, c'est la même histoire — sauf qu'au lieu de ressorts, c'est le tissu de l'espace-temps qui travaille.

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.

Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisine géante où les premières galaxies se formaient à partir d'une « pâte » primordiale d'hydrogène et d'hélium.

La fusion de deux trous noirs ressemble à une danse qui se termine par une puissante explosion : une onde gravitationnelle. Cette onde porte l'empreinte de la courbure de l'espace-temps autour des objets.

Lorsque deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre et fusionnent, ils envoient à travers l'Univers une ondulation : les ondes gravitationnelles. Ces ondes portent l'empreinte de la manière exacte dont les objets se sont déplacés avant la collision.

Quand deux corps massifs entrent en collision, ils ne restent pas toujours sur place. Lors d'une fusion, les trous noirs reçoivent un coup de pied puissant — comme le recul d'un coup de feu, mais au lieu de la poudre, c'est la courbure de l'espace qui travaille.

Deux noyaux de neutrons entrent en collision, et l'espace autour d'eux tremble, comme la surface d'un étang après qu'on y a jeté une pierre. Ces frémissements sont captés par d'immenses détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Une liaison chimique, c'est comme un ressort tendu entre deux atomes. Quand on le casse, les fragments de la molécule s'éloignent, mais ils ne s'immobilisent pas : ils continuent de vibrer, comme une corde pincée. C'est cette vibration que vient de capturer une équipe de chercheurs en brisant une molécule d'iodure de méthyle avec un laser ultraviolet.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre, et leur danse ne ressemble pas toujours à une valse régulière. Si les trous noirs tournent sur leur axe, leur orbite peut commencer à culbuter — comme une toupie qu'on pousse et qui penche sur le côté tout en continuant à tourner.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre dans une danse serrée, et autour d'eux naît quelque chose d'étonnant : une molécule gravitationnelle. Un nuage de bosons ultra-légers, des particules de masse inférieure à l'électron-volt, enveloppe la paire comme le nuage électronique dans l'ion H2+.

En avril 2023, les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont capté une onde gravitationnelle provenant de la fusion de deux trous noirs. Avec des masses de 137 et 103 masses solaires, l'événement GW231123 est le plus massif jamais observé.