enveloppe commune

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.

Deux toupies tournent si près l'une de l'autre qu'elles se frôlent presque. L'une est d'un bleu incandescent, l'autre d'un blanc terne. Ensemble, elles font un tour complet en vingt heures. C'est la paire Feige 64 : une étoile bleue d'un tiers de la masse du Soleil et une naine blanche — le noyau refroidi d'une ancienne étoile — une fois et demie plus lourde que notre astre.

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre comme des danseurs qui se rapprochent puis s'éloignent. Avec le temps, l'une enfle et ses couches externes se déversent sur sa voisine. Celle qui reçoit la matière étrangère ne se distingue en rien d'une étoile solitaire — mais sa surface se souvient de tout.

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.

La collision de galaxies ressemble à une danse lente où deux partenaires se rapprochent progressivement. Au centre de chacune se cache un trou noir supermassif — un volant d'inertie invisible pesant des millions ou des milliards de soleils.

Il faut presque deux mois au couple stellaire J05+50 pour boucler une orbite autour de leur centre commun. Depuis la Terre, il apparaît comme un point faible dans la constellation d’Hercule, à 4625 parsecs de nous. La photométrie de l’étoile binaire ne montre qu’un lent balancement de luminosité, tel le pouls d’un cœur géant.

En août 2019, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux objets compacts au sein d'une étoile binaire. L'un d'eux pesait 23 masses solaires — un trou noir ordinaire. Le second, 2.5–2.67 M⊙.

L'Univers réécrit son histoire sans cesse. Là où l'astronomie classique ne voit qu'un point — un trou noir — les ondes gravitationnelles dévoilent les fines couches du passé, comme sur un ancien palimpseste.

Au centre d'une galaxie lointaine, un trou noir supermassif est entouré d'un disque plat en rotation composé de gaz et de poussière — un gigantesque entonnoir de matière cosmique. Dans ce disque peut se trouver un petit objet compact, par exemple un autre trou noir de masse stellaire.

Deux pierres tombent dans un étang. Chacune crée des ondulations, mais quand elles se heurtent, il y a une éclaboussure et un choc bref et sonore. C'est à peu près ainsi que sonne la fusion de deux étoiles à neutrons — ces résidus ultra-denses d'étoiles explosées.

Les détecteurs captent les « ondulations » des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs ou d'étoiles à neutrons — comme un écho de la cuisine où se prépare un plat cosmique.

Dans la famille des résidus ultra-denses d'étoiles mortes, un vide a longtemps béé. Les étoiles à neutrons — des toupies fulgurantes de la taille d'une ville — dépassent rarement deux masses solaires. Les trous noirs commencent aux alentours de cinq masses solaires. Entre les deux, un « gouffre » où l'on n'a trouvé aucun objet pendant des décennies.

Dans le centre densément peuplé de la galaxie, deux étoiles tournent si près l'une de l'autre que l'une arrache les couches externes de l'autre — comme le vent emporte un vêtement. Il reste un noyau d'hélium brûlant, une étoile sans enveloppe d'hydrogène.

Lorsqu'une étoile à neutrons et un trou noir fusionnent, ils émettent des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace-temps qui atteignent la Terre. Ces ondulations portent l'empreinte de leur dernière danse : l'orbite précédant la collision est souvent allongée, comme une ellipse.

Deux trous noirs se précipitent l'un vers l'autre et se heurtent de front. Dans l'image habituelle, leurs horizons (les surfaces d'où même la lumière ne sort pas) s'étirent l'un vers l'autre comme des gouttes d'eau et fusionnent en une figure lisse. Mais les calculs montrent autre chose : avant la fusion, un bec pointu — une cuspide — s'allonge sur chaque horizon.

Imaginez un orchestre qui s'accorde : les violons montent en gamme — c'est le « chirp » familier des fusions de trous noirs dans les détecteurs LIGO. Maintenant, imaginez une marche funèbre : un son qui descend, comme une sirène qui s'éteint.

Imaginez une salle bondée où chaque personne est une molécule et sa conversation privée, le mouvement des électrons en son sein. En temps normal, chacun parle pour soi et le bourdonnement général est chaotique. Mais si un projecteur puissant s'allume au centre de la salle, il se met à diriger la foule : les gens synchronisent leurs mouvements, même si la lumière ne fait que se réfléchir sur les murs.

Deux trous noirs qui tournent l'un autour de l'autre se comportent comme un bateau qui rame avec des étoiles. Chaque étoile qui passe est rejetée, comme un coup de rame, et transmet de l'impulsion à la paire. On a longtemps pensé que cela ne faisait que rapprocher les trous noirs.

Les étoiles Be sont des astres en rotation rapide, dotés d'un disque de gaz brillant. En général, c'est une étoile compagne qui les fait tourner : en transférant de la matière, elle enroule l'étoile comme une balle dans un canon rayé. Mais il existe aussi des étoiles Be solitaires, sans compagnon — leur origine est longtemps restée une énigme.

La dernière moisson d'ondes gravitationnelles a apporté son lot de mystères. Les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont capté des dizaines de signaux provenant de fusions de trous noirs, et sur le graphique de leurs masses, un vide béant apparaît : les objets plus lourds que 45 Soleils sont presque inexistants, et ceux qui existent…

Un filet de pêche est tendu dans les profondeurs du cosmos. Lorsqu'une étoile massive meurt, elle laisse derrière elle un trou noir – un plomb dans ce filet. En général, ces plombs pèsent de quelques à des dizaines de masses solaires.

Lorsque deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre et fusionnent, ils envoient à travers l'Univers une ondulation : les ondes gravitationnelles. Ces ondes portent l'empreinte de la manière exacte dont les objets se sont déplacés avant la collision.

Deux étoiles tournent autour d'un centre commun, absorbant le gaz d'un nuage environnant. Autour de chaque étoile et autour de la paire entière se forment des disques de gaz en rotation. De ces disques, comme des tuyaux d'arrosage, jaillissent des jets. À l'intérieur des disques, le gaz est constamment brassé — c'est l'instabilité magnétorotationnelle.

Toutes les 15 heures, dans une constellation située à 57 années-lumière de nous, se produit une petite éclipse solaire. La minuscule naine blanche — une étoile de la taille de la Terre mais plus lourde que le Soleil — plonge derrière le disque de la naine rouge.

Un morceau de sucre posé sur une soucoupe à côté d'une tasse de thé brûlant. Si on le laisse tomber dans le thé, il se dissout en quelques minutes. Mais si on l'y plonge lentement, le sucre fond peu à peu, cédant sa douceur à la boisson. C'est un peu ce qui se passe dans deux paires d'étoiles récemment découvertes, sauf que le sucre est remplacé par une naine brune et le thé par une étoile.

Une nuée de lucioles dans la forêt nocturne scintille au hasard : chaque insecte clignote pour son compte, et la lumière se disperse également dans toutes les directions. Maintenant, imaginez que les lucioles se mettent d'accord pour clignoter de sorte que leur lumière collective parte uniquement vers le nord — alors qu'elles restent sur place et qu'aucune ne se tourne.

Dans l'amas stellaire NGC 2158, âgé de plus d'un milliard d'années, les astronomes ont compté la fréquence des étoiles vivant en couple. Le télescope Hubble a observé l'amas très longtemps pour détecter les étoiles les plus faibles, celles qui pèsent moins d'un tiers de la masse du Soleil.

Dans le noyau dense de l'amas globulaire NGC 6397, où les étoiles se bousculent comme des passagers à l'heure de pointe, les astronomes ont remarqué un couple étrange.

Au fin fond de l'espace, un nuage de gaz ressemble à un collier orné de perles brillantes. C'est la nébuleuse du Collier, les restes d'une étoile qui, autrefois, s'est gonflée et a englouti sa voisine. Au centre subsiste un duo : une petite étoile chaude et son compagnon gonflé, riche en carbone.

Au cœur de presque toutes les galaxies se cachent des trous noirs — des géants invisibles. Quand deux galaxies entrent en collision, leurs trous noirs se retrouvent en couple, condamnés à danser l'un autour de l'autre.

Dans un amas stellaire, comme sur une piste de danse bondée, les étoiles massives restent rarement seules. Le plus souvent, elles tournent en paires ou en trios, et la distance entre elles peut être plus petite que celle de la Terre au Soleil.

Deux étoiles tourbillonnent dans une danse rapprochée. L'une est une étoile à neutrons, une sphère ultra-dense de la taille d'une ville mais avec une masse d'une fois et demie celle du Soleil. L'autre est une étoile ordinaire qui gonfle et transfère sa matière à sa voisine.

L'Univers primordial était chaud et dense. Comme dans l'eau bouillante, des bulles d'un nouvel état de l'espace y naissaient. On les croit généralement simples, mais certaines renfermaient un nombre gigantesque de « motifs » cachés — des états microscopiques, ou entropie.

Deux étoiles, en se rapprochant dans une danse cosmique, subissent un balancement supplémentaire — conséquence de la courbure de l'espace-temps (un effet prédit par Einstein). Une planète qui orbite autour d'elles se balance aussi.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre dans une danse serrée, et autour d'eux naît quelque chose d'étonnant : une molécule gravitationnelle. Un nuage de bosons ultra-légers, des particules de masse inférieure à l'électron-volt, enveloppe la paire comme le nuage électronique dans l'ion H2+.