sonnerie du trou noir

Deux minuscules diamants flottent dans le vide, séparés par une distance que la lumière ne peut parcourir pendant la durée de l'expérience. À l'intérieur de chacun, telle une étincelle figée, vit un spin intriqué — un état quantique qui les lie en un tout unique.

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.

Une pierre tombe dans une eau calme, et des cercles se propagent à la surface. Un trou noir se comporte de manière similaire lorsqu'un objet tombe en lui ou lorsqu'il fusionne avec un autre. Le trou noir se met à osciller, et ces oscillations s'échappent dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles.

Un cylindre d'aluminium massif d'une tonne est suspendu dans le vide. Une onde gravitationnelle — une ondulation de l'espace-temps — le traverse, et le bloc se met à vibrer imperceptiblement.

La spirale que forme l'eau qui s'engouffre dans un évier tourne de plus en plus vite à mesure qu'elle approche du centre. Dans un trou noir ordinaire, cet entonnoir se termine en une pointe infiniment aiguë — la singularité, où les lois de la physique s'effondrent.

Quand deux trous noirs fusionnent au loin, un frémissement de l'espace nous parvient : ce sont les ondes gravitationnelles. On les décrit habituellement avec les équations d'Einstein, mais que se passerait-il si, aux distances les plus infimes, la gravité fonctionnait autrement ?

Imaginez l'Univers primordial comme une cloche de dimensions inimaginables. L'inflation — l'époque d'expansion fulgurante imaginée par Alan Guth — la frappe, et une onde se propage à travers le tissu de l'espace-temps.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont comme des microphones ultra-sensibles qui écoutent les murmures de catastrophes lointaines. Mais de temps en temps, un craquement sec s'y introduit — un parasite bref appelé glitch.

La fusion de trous noirs n'est pas un choc silencieux. Le trou noir né de la fusion tremble et s'amortit, émettant des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace lui-même.

Au centre d'un trou noir ordinaire, selon les conceptions classiques, se cache une singularité – un point de densité infinie où les lois de la physique cessent de fonctionner. Mais certaines théories, inspirées par l'idée de dualité issue de la théorie des cordes, proposent de remplacer ce point par une minuscule région « floutée ».

Le mystère de la matière noire hante les physiciens depuis près d'un siècle. Parmi les candidats à ce rôle figurent les trous noirs primordiaux (TNP), nés dans les bras brûlants du premier instant après le Big Bang.

L'Univers primordial ressemblait à une salle surpeuplée où des particules lourdes entraient en collision et se désintégraient à un rythme effréné. Parmi elles, il pouvait y avoir des leptoquarks scalaires — des particules qui s'accrochent à la fois à un quark (la brique de la matière) et à un lepton (par exemple, l'électron).

Dans les premiers instants après le Big Bang, matière et antimatière étaient presque en quantités égales. Mais quelque chose a rompu l'équilibre — sinon tout aurait annihilé en rayonnement, et le monde serait resté vide. L'un des candidats au rôle de « perturbateur » est le neutrino droit superlourd.

Un funambule tournoie au-dessus d'un gouffre en spirale, se rapprochant du centre à chaque tour. Sa trajectoire n'est pas un glissement fluide, mais une série de secousses brusques et de pauses. C'est à peu près ainsi qu'un petit trou noir se comporte lorsqu'il est attiré par un voisin supermassif.

Les ondes gravitationnelles émises par un minuscule corps tombant vers un trou noir agissent comme une radiographie. Mais au lieu de traverser un os, elles sondent l'espace-temps courbe lui-même.

Deux sphères massives de vide sombre foncent l'une vers l'autre et se heurtent de plein fouet. Ce n'est pas un billard — c'est la collision de deux trous noirs de masse égale. L'impact fait vibrer l'espace lui-même : ce sont les 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.

Une pierre tombe dans un puits – et une seconde plus tard, on entend un plouf. Une étoile tombe dans un trou noir – et disparaît derrière l'horizon, ne laissant qu'un frémissement de l'espace. Mais que se passerait-il si le fond du puits n'était pas une impasse, mais un passage ?

Deux boules lourdes tournent à la surface d'un étang. Des cercles s'en échappent — ce sont les ondes gravitationnelles. Lorsque les boules se rapprochent, les ondes emportent de l'énergie, et les cercles deviennent plus fréquents.

Lorsque des trous noirs se rapprochent puis s'éloignent — sans fusionner, en effleurant simplement leurs champs gravitationnels — ils deviennent des projectiles idéaux pour tester les lois de la gravité.

Une cloche frappée résonne de plus en plus faiblement. Son tintement s'éteint en douceur, comme les ondulations à la surface de l'eau après qu'on y a jeté une pierre.

Un trou de ver est un tunnel hypothétique qui raccourcit le chemin entre des coins éloignés de l'Univers, comme une bulle étirée entre deux points. Pour que les parois de la bulle ne se referment pas, il faut une membrane spéciale – une matière à pression négative, semblable à l'énergie noire.

Le bourdonnement d'une place bondée : c'est ainsi que résonne le fond gravitationnel de l'Univers, capté par un réseau de pulsars — des étoiles qui pulsent avec la régularité d'une horloge. Dans ce vacarme se dissimulent les « empreintes » de paires de trous noirs qui tourbillonnent l'un autour de l'autre.

Deux trous noirs tournent de plus en plus vite, se rapprochent et fusionnent en un seul. L'espace autour d'eux tremble : cette vibration traverse l'Univers pendant des milliards d'années et finit par faire bouger les miroirs des détecteurs d'une fraction d'atome. Les scientifiques captent ce signal et veulent comprendre quels trous noirs l'ont produit.

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.

Dès sa naissance, l'Univers ne s'est pas contenté de s'étendre : il a été gonflé à une vitesse inimaginable. Cette phase, appelée inflation, a été proposée par Alan Guth. De nouveaux modèles comparent ce processus au gonflage d'un ballon par à-coups. Si, entre deux à-coups, le piston marque une pause d'un instant, le ballon se contracte et claque.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, le trou noir résultant sonne comme une cloche, émettant des ondes gravitationnelles. Auparavant, on ne pouvait capter que le ton fondamental de cette sonnerie.

Deux géants noirs tournent l'un autour de l'autre puis entrent en collision — un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers. Ce frémissement est capté par les détecteurs d'ondes gravitationnelles.