rapport charge/masse

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.

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.

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 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.

Une vieille maison. La façade est fraîchement peinte, l'escalier ne grince pas. Jolie image. Mais dès qu'on y apporte des meubles lourds, les lames du plancher cèdent. La beauté de la façade ne dit rien de la solidité des planchers. Il en va à peu près de même pour les trous noirs sans singularité.

Un tourbillon avale l'eau, mais en projette la majeure partie autour de lui. C'est à peu près ce que fait un trou noir lorsqu'il reçoit trop de matière.

Un trou noir n'est pas un aspirateur parfait. Il est entouré d'un essaim de particules et de champs, et cet essaim modifie son destin. Dans une nouvelle étude, des astrophysiciens ont examiné comment un champ vectoriel massif — une forme hypothétique de matière noire — se comporte près d'un trou noir en rotation.

Une casserole d'eau bouillante est couverte de deux couvercles, l'un intérieur, l'autre extérieur. Le thermomètre sous chacun indique sa propre température, mais leur moyenne harmonique (une façon particulière de moyenner, où l'on additionne les inverses) reste toujours inchangée. La chaleur semble obéir à une règle invisible.

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.

Un essaim de particules invisibles minuscules — tel un nuage de pollen — dérive dans l'espace. Sur son chemin se trouve un trou noir. Certaines particules tombent dedans et disparaissent à jamais, d'autres contournent le piège et s'envolent. Les physiciens ont construit une carte qui montre exactement combien de matière sera avalée et combien survivra.

La gravité est la colle invisible qui maintient les étoiles et les planètes. Mais que se passerait-il si cette colle avait une masse minuscule ? Dans la théorie de la gravité massive, les particules porteuses (appelées gravitons) pèsent très peu, mais pas zéro. Cela change la donne près des trous noirs.

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.

Un trou noir chargé électriquement ressemble à un aspirateur qui non seulement aspire tout autour de lui, mais peut aussi retenir des particules légères sur son orbite. Ces particules forment autour du trou une sorte de nuage diffus — les physiciens appellent cela un état quasi-lié.

Au centre de la galaxie M87, à 55 millions d'années-lumière de nous, se cache un trou noir d'une masse équivalente à 6,5 milliards de Soleils. En 2019, le télescope Event Horizon Telescope (EHT) en a montré pour la première fois le portrait : un beignet orange avec un cœur sombre.

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.

Dans la quête de la nature de la matière noire, l'une des hypothèses les plus intrigantes plonge ses racines dans les tout premiers instants après le Big Bang.

L'image du monde que nous connaissons par les manuels d'Einstein est une toile lisse à quatre dimensions. Mais la théorie des cordes ajoute un cadre de dimensions supplémentaires — invisible, mais sensible à la gravité.

Lorsque des corps massifs se déplacent avec accélération – disons deux étoiles qui tournent l'une autour de l'autre – l'espace autour d'eux ne reste pas calme. Il tremble, comme la surface d'un étang après qu'on y a jeté une pierre. Ces tremblements sont appelés ondes gravitationnelles. Ils emportent de l'énergie, et la source perd progressivement de la masse.

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.

Deux aimants se percutent dans une pièce sombre, se collent en une boule — et un bruit sourd retentit. C'est à peu près ce qui se passe avec les trous noirs, sauf qu'au lieu d'aimants, ils ont une charge électrique, et au lieu d'un bruit, une onde gravitationnelle.

Un trou noir est un endroit où la gravité est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. Mais autour de lui, il y a un anneau lumineux de gaz, et au centre, une dépression sombre que l'on appelle l'ombre. La taille de cette ombre dépend de la courbure de l'espace-temps.

Un trou noir ressemble à une toupie : plus il tourne vite, plus son comportement est marqué. Il possède deux frontières — l'horizon externe et l'horizon interne, des limites au-delà desquelles même la lumière ne revient pas.

Une nuée de minuscules boules de glace est éparpillée dans une pièce chaude. Certaines fondent plus vite, d'autres plus lentement, mais lorsqu'il ne reste que des traces humides, elles disparaissent toutes de la même manière : la dernière goutte s'évapore selon la même loi.

Un trou noir ressemble à un puits sans fond. On peut mesurer la quantité d'eau qui s'y est écoulée en observant le niveau depuis l'extérieur. Mais comment connaître la masse de l'eau elle-même si l'on se tient au fond du puits ? C'est à peu près ce problème que résolvent les auteurs de ce nouveau travail.

La lumière qui passe près d'un trou noir se tord, comme l'eau qui tourbillonne autour du drain d'une baignoire. Le plus intéressant, c'est l'anneau fin où les rayons peuvent tourner indéfiniment, sans tomber à l'intérieur ni s'échapper. C'est la sphère de photons — une frontière invisible qui dessine l'ombre du trou dans le ciel.

Si l'on comprime une poignée de sable, elle devient plus dense, mais à un moment donné, les grains de sable se bloquent mutuellement — impossible de compresser davantage. Selon certains théoriciens, l'espace se comporte à peu près de la même manière à des distances extrêmement petites : il possède une limite de divisibilité, une sorte de « grain ».

Un trou noir, c'est une poche cosmique dans laquelle tout tombe, même la lumière. Mais les travaux pionniers de John Archibald Wheeler, Stephen Hawking et Roger Penrose ont montré que, parfois, à cause de l'immense courbure de l'espace-temps…

La lumière qui tombe dans un trou noir transporte de l'information — par exemple, le chemin qu'a suivi un photon. L'horizon (la surface sous laquelle rien ne revient) réagit en modifiant son entropie — une mesure du désordre, comparable au nombre de pages mélangées dans un livre.

On étire un matelas gonflable sur lequel tourbillonne un entonnoir d'eau. Lorsqu'on l'étire, l'entonnoir se resserre : sa taille relative à la surface totale diminue.

D'ordinaire, un trou noir est un abîme avec un puits ponctuel en son centre, où la densité devient infinie et où tout se brise. Einstein et Schwarzschild ont décrit ce scénario. Mais l'infini est un signe que la théorie a trébuché.

Des physiciens ont appris à traduire les équations de la gravitation dans le langage de l'électricité. Cette astuce — le double copiage — fonctionne comme un dictionnaire : elle remplace la géométrie complexe de la courbure de l'espace-temps par de simples règles électriques.

Un tourbillon dans une rivière aspire tout ce qui l'entoure. Si l'on ajoute à l'eau un gel invisible qui s'épaissit près du tourbillon et disparaît brusquement à son bord, on obtient une idée approximative de ce qu'est un trou noir dans ce nouveau modèle mathématique.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, l'effondrement du cœur peut donner naissance à une supernova et à une étoile à neutrons, mais si la masse est suffisante, rien n'arrête la contraction — un trou noir naît.

Les trous noirs ne sont pas de simples dévoreurs sans visage. Parfois, ils se comportent comme l'eau : ils peuvent « geler » ou « entrer en ébullition », modifiant leur état interne. Des scientifiques ont décrit ce phénomène en considérant la lumière près d'un trou noir comme un gaz.

Un champ magnétique peut empêcher une étoile de s'effondrer complètement — c'est l'idée derrière ce nouveau trou noir. Au lieu du point de densité infinie habituel, on trouve à l'intérieur un champ qui empêche l'espace de se réduire à zéro. C'est comme un ressort : plus on comprime, plus il résiste.

La relativité générale classique prédit qu'à l'intérieur de chaque trou noir se cache une singularité. Dans cette région, la courbure de l'espace-temps atteint l'infini, et les équations d'Einstein perdent leur sens.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. De même, un trou noir, au repos dans le vide, peut rencontrer une onde gravitationnelle ou un nuage de gaz. Il ne reste pas indifférent : sa surface (l'horizon des événements) se déforme légèrement, comme une membrane tendue sous le poids d'une goutte.

Un trou noir n'est pas simplement un vide, mais un objet massif qui courbe l'espace autour de lui. S'il se trouve dans un nuage de matière noire invisible (une substance qui n'émet pas de lumière mais se manifeste par la gravitation), son comportement change.

Un trou noir enveloppé de matière noire ressemble à un tourbillon dans une eau invisible. Cette substance ne se trahit que par la gravité.

Un trou noir est comme une boule sombre dans l'espace, sur laquelle tombe de la matière lumineuse. Un trou noir a une ombre, une région d'où les rayons ne s'échappent pas. Mais à cause de la courbure de la lumière, l'ombre est plus grande que le trou lui-même : comme l'ombre d'un ballon sur un mur s'agrandit si la lampe est loin.