fusion 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.

Au centre d'une galaxie, là où un trou noir supermassif enroule autour de lui un disque de gaz incandescent, naissent parfois des étoiles géantes. Elles ne ressemblent pas aux étoiles ordinaires : le disque les nourrit continuellement de matière, et l'étoile peut atteindre des centaines de masses solaires, restant brillante tant que le flux de gaz ne tarit pas.

Frappez une cloche : elle résonne sur sa note. Un trou noir perturbé résonne aussi, mais au lieu d'un son, c'est l'espace lui-même qui frémit. Les fréquences de cette résonance peuvent en dire long sur le trou noir : sa vitesse de rotation, sa masse.

Un trou noir est un labyrinthe dont on ne peut pas sortir. Mais que devient l'information à l'intérieur ? Pour le vérifier, les physiciens ne sont pas allés jusqu'au trou le plus proche ; ils en ont construit une minuscule réplique sur un processeur quantique.

Deux trous noirs, pris dans une danse, se rapprochent de plus en plus vite et finissent par fusionner en un seul. Cette danse n'est pas silencieuse : elle secoue l'espace et le temps eux-mêmes, et des ondes gravitationnelles se propagent à travers l'Univers.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ressemblent à des oreilles très fines : ils captent les frémissements de l'espace lorsque des trous noirs ou des étoiles à neutrons entrent en collision quelque part dans l'Univers. Mais même les « oreilles » les plus perfectionnées n'entendent pas tout.

Un caillou tombe dans une mare et des cercles se propagent à la surface. Après une collision avec un autre trou noir, un trou noir fait quelque chose de similaire : il émet des ondes gravitationnelles qui rappellent le tintement d'une cloche qui s'éteint.

Un trou noir ressemble à une toupie qui ne s'arrête jamais d'elle-même. Mais si un nuage de particules ultralégères — des bosons — apparaît autour de lui, la donne change. Ce « brouillard » se met à agir comme un frein invisible : les particules extraient la rotation du trou, le forçant à ralentir.

Une poignée de cailloux tombe dans un étang — de chacun partent des ronds. Si les cailloux sont différents, les ronds le seront aussi : certains nets, d'autres plus doux. Mais quand on regarde l'eau de loin et qu'on ne voit qu'une petite partie de l'ondulation, toutes ces différences se brouillent.

Lorsque deux boules lourdes fusionnent en une seule, des cercles se propagent longtemps à la surface de l'eau. Un trou noir se comporte à peu près de la même manière : après une fusion, il « sonne » encore pendant un certain temps, émettant des oscillations gravitationnelles particulières — les modes quasi-normaux.

Quelque part au fin fond du cosmos, deux trous noirs supermassifs tournent l'un autour de l'autre. Leur danse n'est pas fluide — l'orbite est allongée, comme un élastique qui se tend puis se relâche. Chaque révolution engendre une ondulation dans le tissu de l'espace-temps — les ondes gravitationnelles.

Une toupie tourne si vite que l'air autour d'elle se met à tourner à l'unisson. C'est à peu près ce que fait un trou noir : s'il tourne, il peut transférer son énergie aux particules qui se trouvent à proximité. Ce processus est appelé superradiance — il ressemble à un écho dans les montagnes, sauf qu'au lieu du son, ce sont de nouvelles particules qui naissent.

Une bouilloire qui bout sur la cuisinière finit par s'évaporer complètement — de même, selon les idées classiques, un trou noir devrait peu à peu disparaître dans un sifflement de rayonnement. Mais que se passerait-il si l'on ajoutait un ingrédient spécial à la bouilloire ?

Jetez deux pierres de formes différentes dans un étang : les cercles à la surface raconteront laquelle était lisse et laquelle était anguleuse. C'est ainsi que fonctionnent les ondes gravitationnelles : lorsque deux objets superdenses fusionnent, les vibrations de l'espace-temps transportent des détails sur leur structure interne.

Lorsqu'on gonfle un ballon trop rapidement, ses parois se mettent à vibrer. C'est à peu près ce qui se passait avec l'espace dans les tout premiers instants après le Big Bang : l'univers se gonflait à toute allure, et le tissu même de l'espace s'est mis à onduler.

La fusion de deux étoiles à neutrons n'est pas qu'une simple collision. Avant même de se toucher, elles se déforment mutuellement sous l'effet des forces de marée, et cette déformation dépend de la « souplesse » ou de la « rigidité » de la matière à l'intérieur. La matière rigide résiste davantage, la matière souple change plus facilement de forme.

Un nuage de poussière cosmique, homogène et sphérique, commence à se contracter sous l'effet de sa propre gravité. À un moment donné, selon les lois classiques, il devrait s'effondrer en un point de densité infinie – une singularité.

Au cœur d'une galaxie, quelque part, tourne un trou noir. Il ne flotte pas dans le vide : autour de lui, un essaim invisible de particules de matière noire. Jusqu'à présent, cet essaim était décrit pour des trous immobiles, mais en réalité, les trous noirs tournent toujours.

Une pièce silencieuse, et il faut y distinguer une mélodie parmi une multitude de bruissements à peine audibles. C'est à peu près à cela que ressemble la recherche de signaux provenant de systèmes extrêmes de deux trous noirs — l'un énorme, l'autre des millions de fois plus petit.

Un trou noir sonne comme une cloche après un impact. Cette sonnerie, ce sont les ondes gravitationnelles que les détecteurs capturent. Mais qu'est-ce qui change si l'espace autour du trou est courbé non seulement par sa masse, mais aussi par une correction quantique supplémentaire ?

Un trou noir n'est pas un aspirateur éternel. Il perd lentement de la masse en émettant des particules, comme une pierre chauffée qui se refroidit en cédant de la chaleur.

Une pierre tombe dans un lac calme — et des cercles réguliers se propagent à la surface. L'espace autour d'un corps massif se comporte de manière similaire : si le corps est parfaitement rond, les perturbations qu'il émet sont symétriques. Un trou noir en relativité générale évoque un miroir d'eau parfaitement lisse.

Un trou noir tournant presque à la limite ressemble à un athlète qui frôle le record. Le plus intéressant ne se passe pas dans le trou lui-même, mais dans la fine pellicule d'espace-temps à son horizon. C'est là que d'infimes ajouts à la gravitation einsteinienne peuvent soudainement atteindre des proportions gigantesques.

Un trou noir classique est un puits sans fond : tout ce qui franchit l'horizon disparaît dans un point de densité infinie.

Un trou noir dans lequel quelque chose tombe ne se contente pas de s'évaporer pendant des milliards d'années : il peut éclater comme une bulle de savon et devenir son contraire — un trou blanc. Ce scénario est suggéré par des expériences numériques en gravité semi-classique.

L'onde gravitationnelle issue d'une fusion de trous noirs, c'est comme le son d'une cloche dans la nuit. L'intensité du son permet de savoir à quelle distance se trouve la source.

Les cosmologistes sont confrontés à une situation amusante : deux outils fiables dessinent des cartes légèrement différentes du même Univers. L'un est la carte de la lumière ancienne (le rayonnement fossile), l'autre est la carte de la distribution des galaxies. Dans l'ensemble, ils concordent, mais dans le détail, ils divergent.

Un trou noir n'est pas simplement un aspirateur cosmique. S'il tourne, il peut amplifier les ondes autour de lui, comme un écho de montagne répète un son. Pour la matière noire ultra-légère (des particules des milliards de fois plus légères que l'électron), cet effet, appelé superradiance, peut créer un nuage immense.

Un trou noir en rotation n'est pas un paisible tourbillon. L'espace autour de lui tremble et résonne au moindre remous, comme une corde de guitare après un pincement. Ces oscillations sont décrites par l'équation de Teukolsky, une construction mathématique complexe que les physiciens étudient depuis un demi-siècle.

Lorsqu'une étoile plusieurs fois plus massive que le Soleil meurt, elle se contracte puis explose en supernova. Ce n'est pas seulement un éclair de lumière : tout le processus, de l'effondrement du noyau à l'expansion de l'enveloppe, génère des frémissements de l'espace lui-même.

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 ?

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 ?

On peut envoyer une impulsion radio courte vers un trou noir et attendre l'écho réfléchi. On pourrait penser que plus le signal est court, mieux il sonderait les moindres détails de l'espace près de l'horizon – cette région d'où même la lumière ne revient pas.

Un trou noir n'est pas qu'un simple abîme. C'est une chaudière incandescente dont la température augmente à mesure qu'il s'évapore. Les auteurs de l'étude ont découvert que lorsque la chaleur atteint un seuil critique, le trou noir semble entrer en ébullition.

Dans les confins obscurs de notre Galaxie, loin des amas d'étoiles brillants, se cachent des millions de trous noirs. Ils sont invisibles : ils n'émettent pas de lumière et n'absorbent pas de matière de manière notable. Les méthodes de détection classiques, conçues pour les champs stellaires denses, sont impuissantes ici. Il faut une autre approche.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, l'objet nouvellement formé tremble comme une cloche. Cette sonnerie est constituée d'ondes gravitationnelles d'un type particulier, que les astronomes appellent modes quasi-normaux (des oscillations amorties spécifiques).

L'objet cosmique tourne, mais son ombre n'est pas ronde. Des astrophysiciens ont examiné un trou noir dans une version inhabituelle de la gravité — le soi-disant monde-brane (où notre Univers est une surface tridimensionnelle dans un espace à plus grand nombre de dimensions).

Lorsque deux trous noirs fusionnent, des ondulations se propagent à travers le tissu de l'espace-temps : ce sont les ondes gravitationnelles. Mais que se passerait-il si, à la place de l'un d'eux, il n'y avait pas un trou noir ordinaire, mais quelque chose d'autre — un objet compact exotique ?

Au centre de notre Galaxie se trouve le trou noir supermassif Sagittarius A*. Si un compagnon invisible tourne à ses côtés, leur danse peut être repérée grâce à la lumière d'autres étoiles.

Un trou noir ne se contente pas de tourner : il est entouré d'une barbe de champ supplémentaire (le champ de Kalb-Ramond). L'article explore comment un champ massif (des ondes avec masse) se comporte près d'un tel trou noir lorsqu'il a presque atteint sa vitesse de rotation limite.