spin des 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.

Un trou noir aspire tout ce qui s'approche trop près. Mais si on y lance non pas un objet unique, mais une paire, l'un des deux peut ressortir en emportant une partie de l'énergie de rotation du trou. Cette astuce, imaginée par Roger Penrose en 1969, ne fonctionne que parce que le trou noir possède un horizon – une frontière au-delà de laquelle rien ne revient.

Dans la vision habituelle du monde, un événement est un point sur la carte de l'espace-temps : « ici et maintenant », sans taille ni structure interne.

Au centre d'une galaxie se trouve un trou noir supermassif, entouré d'un vaste nuage ténu de matière noire. Il n'émet pas de lumière, ne chauffe pas, mais par sa gravité il courbe l'espace et change les règles du jeu pour tout ce qui gravite à proximité.

Dans un univers bidimensionnel, un trou noir ressemble à un entonnoir dans l'espace-temps. Mais les auteurs de la nouvelle étude sont allés plus loin : ils ont supposé que l'espace où « vivent » les impulsions des particules est lui aussi courbé — comme une selle.

Au centre de nombreuses galaxies tournent des toupies cosmiques d'une puissance incroyable — les trous noirs supermassifs.

Du gaz surchauffé, en spirale, tombe sur un objet superdense invisible. Un tel disque ressemble à un entonnoir géant, mais il est souvent incliné — son axe ne coïncide pas avec l'axe de rotation du corps central. La gravité de l'objet massif fait osciller légèrement le disque, comme une toupie qui perd l'équilibre.

Pendant des décennies, les astrophysiciens ont construit un tableau cohérent : la galaxie, telle un manège géant, tourne en un rythme unique, et le trou noir supermassif en son centre hérite de cette danse.

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

Un trou de ver est un tunnel reliant deux régions éloignées de l'Univers. Si un tel trou existait et était traversable, une particule à l'intérieur ressentirait non seulement la gravité, mais aussi une force due à son propre champ électrique. Cette force dépend de la courbure de l'espace-temps environnant.

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.

Un trou noir n'est pas simplement une tache sombre dans le ciel. Son ombre se projette sur le fond lumineux de la matière qui tombe et porte l'empreinte de la géométrie même de l'espace. Si la gravité est organisée ne serait-ce qu'un peu différemment de ce que nous avons l'habitude de penser, l'ombre le révélera.

Une toupie qui tourne si vite qu'elle fait vriller la lumière autour d'elle en spirales : voilà une image parlante de ce qui se passe à l'horizon d'un trou noir. Le plasma incandescent y tombe en émettant des ondes radio. Leur polarisation (c'est-à-dire le plan dans lequel oscille l'onde) devient une flèche qui indique la direction du flux d'énergie.

Une toupie massive tourne si vite que l'espace lui-même s'enroule en spirale autour d'elle. C'est un trou noir — mais au lieu de bois et de métal, il est fait de pure gravité. Ajoutons-lui un champ électromagnétique inhabituel qui modifie légèrement les règles du jeu.

Lorsque la lumière passe à proximité d'un trou noir, elle tombe dans un piège gravitationnel : sa trajectoire est courbée, et la particule zigzague sur une orbite presque fermée, telle une bille de flipper.

Lorsqu'un trou noir entre dans l'objectif, il laisse sur l'image une noirceur parfaite — un puits gravitationnel où la lumière tombe sans retour.

Les ombres des objets supermassifs au centre des galaxies — M87 et la Voie lactée — sont devenues des icônes de l'astrophysique moderne. Mais que se passerait-il si ces ombres n'étaient pas la trace d'une absorption, mais d'un passage ?

L'ombre d'un trou noir est une icône de l'astrophysique — mais regardez de plus près : son bord velouté frémit au rythme de la polarisation de la lumière.

Une toupie lancée à pleine vitesse modifie le mouvement de l'air autour d'elle : celui-ci s'enroule différemment que si elle tournait à peine. Avec les trous noirs, dans certaines théories de gravité étendues, il se passe quelque chose de semblable.

Le gaz qui tombe vers un trou noir s'enroule en spirale, comme l'eau dans un entonnoir. Dans ce flux, des boucles magnétiques naissent et éclatent sans cesse — un peu comme des éruptions solaires, mais bien plus puissantes. Chaque boucle est un minuscule aimant qui vit sa propre vie.

Un patineur glisse sur la glace, se rapprochant progressivement du centre de la patinoire. Une légère torsion du buste — et la spirale gracieuse se brise, la trajectoire devient imprévisible. Quelque chose de similaire se produit lorsqu'un petit trou noir doté de sa propre rotation (spin) tombe vers un trou noir géant.

La lumière réfléchie par le disque incandescent autour d'un trou noir peut en révéler plus que ce que l'on pensait. Lorsque le disque émet de la chaleur, une partie de cette lumière est réfléchie vers le disque et diffusée, acquérant une distribution d'énergie inhabituelle — comme si un nouveau composant, semblable à une loi de puissance, s'ajoutait à la lueur ordinaire.

Une toupie lancée sur une table vacille : l'axe de rotation est incliné et le mouvement devient irrégulier. C'est un peu ce qui se passe pour les trous noirs autour desquels tourne un disque de gaz et de poussière.

Les trous noirs sont des toupies cosmiques. Leur rotation courbe l'espace-temps courbure de l'espace-temps (comme l'a prédit Albert Einstein) et est décrite par un paramètre de spin allant de 0 à 1.

Un trou de ver est un tunnel dans l'espace reliant des régions éloignées de l'Univers. L'ombre qu'il projette sur un fond de gaz brillant a longtemps été considérée comme aussi arrondie que celle d'un trou noir. Mais pour un trou de ver en rotation (que l'on peut traverser), la forme de l'ombre pourrait être surprenante : le bord devient dentelé, comme une roue d'engrenage.

La matière noire est invisible, mais sa gravité régit le mouvement des étoiles et des galaxies. C'est Fritz Zwicky qui en a parlé le premier dans les années 1930, et Vera Rubin a ensuite confirmé sa réalité.

Le trou noir du système binaire Swift J1727.8-1613 scintille en rayons X comme un feu de camp dans le vent. Mais si l'on observe attentivement le rythme de ce scintillement, on distingue des « bosses » nettes — des sursauts à certaines fréquences, semblables à des battements de tambour dans le bruit d'une foule.

En 2019, les astronomes ont dévoilé la première image de l'ombre d'un trou noir : un puits sombre entouré d'un anneau orange irrégulier. Il s'agit du trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, à 55 millions d'années-lumière de nous. L'anneau n'est pas seulement lumineux : un de ses côtés est nettement plus brillant que l'autre.

Les vortons sont des cerceaux cosmiques invisibles, des boucles fermées de courbure de l'espace-temps. Plus fins qu'un atome mais plus lourds que des étoiles, ces reliques du Big Bang tournent comme des manèges géants, enroulant tout autour d'eux.