déformabilité de marée des trous noirs

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.

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.

De loin, la lumière contourne un trou noir comme un cycliste négocie un virage serré. Un peu plus près, elle commence à tourner en rond sur une sphère de photons invisible. Chaque trou noir possède une telle sphère, mais elle est généralement instable : la moindre perturbation et la lumière s'échappe ou tombe à l'intérieur.

Une étoile tourne autour d'un trou noir en rotation, telle une patineuse au centre d'une patinoire. Tant qu'elle est loin et qu'on peut la considérer comme un point, la danse reste prévisible : l'orbite obéit à des lois précises, comme une musique sur laquelle il est facile de glisser. Mais dès qu'elle s'approche, la gravité agit de manière inégale.

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.

Deux étoiles à neutrons tournent dans une danse serrée, chacune ressentant le champ de marée de l'autre. C'est comme la Lune qui soulève les océans sur Terre, mais ici, c'est l'espace-temps lui-même et la matière de l'étoile qui se déforment.

Un rayon de lumière qui passe près d'un corps massif est dévié — c'est l'effet de lentille gravitationnelle, bien connu grâce aux images de galaxies lointaines.

Au cœur de la plupart des galaxies se cachent des trous noirs supermassifs, maîtres de la gravité. Depuis 2019, grâce à l'interférométrie à très longue base, nous voyons leurs ombres : des silhouettes sombres sur un fond de gaz incandescent. Mais qu'est-ce qui dessine exactement cette ombre ?

Un gaz qui traverse un robinet fin peut s'échauffer ou se refroidir — c'est l'effet Joule-Thomson, sur lequel reposent les réfrigérateurs et les liquéfacteurs d'air. Il s'avère que les trous noirs savent aussi se comporter ainsi.

Deux trous noirs se croisent à toute vitesse, comme des bolides de course sur des voies opposées. En relativité générale standard, ils restent « chauves » — aucun champ supplémentaire n'apparaît autour d'eux. Mais si l'on ajoute aux équations un champ scalaire (sorte de brume invisible qui imprègne l'espace), les règles changent.

Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèse comme une montagne. Mais cette montagne pourrait avoir un jumeau invisible. Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons, la matière ordinaire est compressée à des densités inimaginables. Là, les protons et les neutrons peuvent se dissoudre en une soupe de quarks.

Au centre de l'attention, un trou noir, mais pas ordinaire. Il porte un monopôle magnétique et est entouré d'un dilaton – un champ qui brouille les frontières habituelles de l'espace. Les auteurs ont testé la résistance de ce système aux chocs thermiques.

Sous l'effet de la Lune, l'océan se soulève d'un mètre entier — c'est la marée. Si un corps massif se trouve près d'un trou noir, le trou ressentira également l'effet de marée. En gravité einsteinienne ordinaire, il ne répond pas à une telle marée statique : ses « nombres de marée » (indices de déformabilité) sont nuls.

Dans les disques d'accrétion qui ceinturent les noyaux des galaxies actives — les quasars, découverts par Maarten Schmidt dans les lointaines années 1960 — coule une rivière de gaz et de poussière surchauffés.

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.

Une pierre tombe dans un étang – et les ondulations à la surface racontent longtemps où elle a coulé. Avec un trou noir, il semblerait que ce soit différent : tout ce qui franchit l'horizon (la frontière au-delà de laquelle même la lumière ne peut s'échapper) disparaît sans laisser de trace.

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 entrent en collision, ils émettent des ondes gravitationnelles et sonnent comme une cloche massive. Le son qui s'estompe, ou ringdown, porte l'empreinte du trou noir final.

Un trou noir en rotation est un tourbillon cosmique qui aspire tout ce qui l'entoure. Certains de ces trous possèdent des filaments invisibles qui s'étendent depuis l'horizon des événements, comme les rayons d'une roue. Les scientifiques ont longtemps débattu de la nature de ces filaments et de la possibilité de les observer.

Lorsqu'une étoile s'approche trop près d'un trou noir, celui-ci commence à l'attirer. Si l'étoile n'est pas entièrement avalée mais perd seulement une partie de sa matière, elle peut survivre à plusieurs de ces « morsures ». À chaque fois, un morceau de gaz est arraché, s'échauffe et s'embrase — les astronomes voient alors un point brillant dans le ciel.

Si deux boules d'acier tournent l'une autour de l'autre, leur attraction mutuelle est impuissante à modifier la forme de chacune. Une boule d'eau, au contraire, s'étirerait comme une goutte.

En relativité générale, le trou noir a longtemps été considéré comme un miroir parfait : quels que soient les champs qui tombent dessus, il ne se déforme pas.