explorateur cosmique

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ressemblent à des oreilles très fines : ils captent les frémissements de l'espace lorsque des trous noirs ou des étoiles à neutrons entrent en collision quelque part dans l'Univers. Mais même les « oreilles » les plus perfectionnées n'entendent pas tout.

La surface calme d'un lac se couvre soudain de rides — quelque part en profondeur, un rocher sous-marin s'est effondré. L'eau tremble à peine, et les cercles s'étendent de plus en plus loin, jusqu'à atteindre le flotteur près de la rive.

Quelque part dans les profondeurs de la Voie lactée, des impulsions radio éclatent de temps en temps – rares, régulières, comme les battements d'un métronome lointain. Ces transitoires radio à longue période ont été découverts récemment et ont immédiatement laissé les astronomes perplexes.

À la fin de la vie d'une étoile massive, son cœur s'effondre en une fraction de seconde, donnant naissance à l'éclair d'une supernova. Ce cataclysme secoue l'espace-temps lui-même : il émet des ondes gravitationnelles, une ondulation qui traverse l'Univers.

On peut envoyer une impulsion radio courte vers un trou noir et attendre l'écho réfléchi. On pourrait penser que plus le signal est court, mieux il sonderait les moindres détails de l'espace près de l'horizon – cette région d'où même la lumière ne revient pas.

La cloche ne sonne pas sous l'impact, mais sous le frémissement éphémère de l'espace. Une onde gravitationnelle – comme une ride sur un étang – traverse un aimant massif, qui se déforme légèrement. Cette déformation peut être convertie en signal électrique.

Un café bruyant. Vous essayez de saisir deux conversations discrètes : l'une vient d'une table près de la fenêtre (les fusions de trous noirs), l'autre est un murmure à peine perceptible dans un coin éloigné (les échos de la naissance de l'Univers).

Une toupie qui fait cent tours par seconde se met soudain à perdre de la vitesse — bien plus vite que toutes les toupies connues. C'est exactement ce que fait le pulsar J0435+3233. C'est une étoile morte, comprimée à la taille d'une ville, mais tournant à une vitesse folle.

Deux minuscules masses, chacune du poids d'un grain de sable, sont suspendues dans l'obscurité à une température plus froide que l'espace interstellaire. Elles ne se touchent pas, mais entre elles existe un fil invisible : la gravité.

En 2034, une fusée quitte le pas de tir avec une cargaison inhabituelle : deux sphères de la taille d'un gros globe terrestre, chacune pesant près d'une tonne. Aucun moteur, aucun appareil électronique. Seulement une surface miroitante composée de centaines de réflecteurs en coin — de minuscules prismes qui renvoient la lumière exactement d'où elle vient. C'est le futur diapason cosmique.

Le faisceau laser dans le tunnel de plusieurs kilomètres tremble au passage d'une onde gravitationnelle — mais ce tremblement est à peine perceptible, de l'ordre de fractions du diamètre d'un proton. Pour entendre ce murmure du cosmos, les physiciens tirent du laser tout ce qu'ils peuvent.

Une paire d'étoiles à neutrons, enlacées par un verrou gravitationnel, trace des cercles invisibles dans le vide. Il y a cent ans, Albert Einstein décrivit cette danse comme des vagues de géométrie courbée, mais pendant longtemps, nous ne pouvions l'observer que du coin de l'œil — à travers le scintillement fiévreux des…

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire, dont Fritz Zwicky a parlé pour la première fois dans les années 1930. Aujourd'hui, les meilleurs candidats sont les axions, des particules au-delà du modèle standard.

En 2015, les détecteurs ont pour la première fois capté une onde gravitationnelle — un frémissement de l'espace provenant de la fusion de trous noirs. Depuis, ces signaux sont devenus une nouvelle fenêtre sur l'Univers pour l'astrophysique.

Lorsqu'une galaxie lointaine nous envoie sa lumière, celle-ci s'affaiblit avec la distance — et c'est grâce à cet affaiblissement que l'on peut savoir à quelle distance elle se trouve.

Les pulsars sont des étoiles mortes qui tournent avec une régularité impeccable. Leurs émissions radio sont plus précises que des horloges atomiques.

C'est Edwin Hubble qui a découvert que les galaxies s'éloignent, et Georges Lemaître a relié cela à l'expansion de l'espace. Aujourd'hui, le modèle ΛCDM, qui repose sur l'énergie noire et la matière noire, affirme que l'Univers est plat, comme une toile parfaitement tendue.

Les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA fonctionnent comme des microphones géants à l'écoute des ondes gravitationnelles — les vibrations de l'espace lui-même.

Imaginez un immense ballon gonflable sur lequel sont dessinées des galaxies : on le gonfle, le dessin s'étire, les points voisins s'éloignent les uns des autres. La vitesse de cet étirement, c'est la constante de Hubble. D'habitude, les astronomes capturent la lumière d'étoiles lointaines et observent à quel point elle a rougi à cause de l'étirement de l'espace.

Deux points sur la surface d'un ballon — voilà tous les repères dont on dispose quand on essaie de comprendre comment il se gonfle. C'est à peu près ainsi que les cosmologistes reconstruisent l'histoire de l'expansion de l'univers.

L'Univers ressemble parfois à une casserole d'eau bouillante. Lorsqu'on chauffe suffisamment, le liquide se transforme en vapeur — c'est une transition de phase. Dans l'Univers primordial, quelque chose de similaire a pu se produire : un champ qui emplissait l'espace a soudainement changé d'état, comme l'eau qui devient gaz.

Deux faisceaux lumineux courent en sens inverse sur un anneau fermé. Comme la vitesse de la lumière est constante, lorsque l'anneau tourne, l'un des faisceaux doit rattraper une cible qui se déplace, tandis que l'autre va plus vite. Leur rencontre crée une figure qui permet de déterminer la vitesse de rotation de l'ensemble.

Les ondes gravitationnelles sont les frémissements de l'espace provoqués par les fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons.

Une minuscule bille d'un quart de milligramme, suspendue dans un champ magnétique et refroidie à presque zéro absolu, oscille pendant 110 heures sans s'arrêter – c'est un record d'isolation. La perte d'énergie est si faible que l'entropie du système n'augmente presque pas, et toute influence extérieure devient perceptible.

Les miroirs des détecteurs d'ondes gravitationnelles écoutent l'univers, mais leur propre vibration les gêne, comme un microphone dans une gare bruyante.

Un pulsar est une étoile morte qui tourne à une vitesse folle et émet des impulsions radio comme un phare. Mais pour PSR J1928+1815, le signal s'éteint parfois pendant 3,6 heures. Quelque chose masque le phare. Une étoile compagne orbite autour du pulsar, et son ombre tombe sur nous.

Après l'explosion d'une supernova, il reste une étoile à neutrons : une boule de matière incroyablement dense, de la taille d'une ville, qui tourne sur elle-même des centaines de fois par seconde. La moindre petite bosse à sa surface la ferait vaciller comme une toupie déséquilibrée, émettant un faible bourdonnement à travers le tissu de l'espace.

Les trous noirs ne sont pas des gouffres silencieux, mais des diapasons naturels. Leur rotation vertigineuse, prédite par Roger Penrose, fait chanter l'espace-temps lui-même, engendrant un flux de particules ultralégères, les axions.

Des flashs rythmés d'un phare dans un épais brouillard — voilà à quoi ressemble la recherche de pulsars. Le phare tourne, et son faisceau atteint périodiquement le télescope. Mais le brouillard diffuse la lumière, et la période semble légèrement différente.

Un faisceau lumineux qui traverse une plaque transparente conserve généralement sa couleur. Si l'on assemble la plaque à partir de fines couches alternées, elle devient un réseau qui réfléchit et transmet les ondes de manière sélective. On utilise cela depuis longtemps dans les lasers et les filtres optiques.

C'est Albert Einstein qui avait prédit les ondes gravitationnelles — ces frémissements de la trame même de la courbure de l'espace-temps.

Dans ses premiers instants, l'Univers ressemblait à une pâte qui tantôt lève rapidement, tantôt s'immobilise une seconde. Durant ces brèves poussées — que l'on appelle expansion entrecoupée — même d'infimes champs magnétiques ont pu croître, comme des bulles dans une pâte bien battue.

En août 2017, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont capté un signal provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons – des résidus ultra-denses d'étoiles explosées. Au même moment, la vie quotidienne suivait son cours sur Terre : les avions atterrissaient, les voitures roulaient, et les navigateurs calculaient des itinéraires.

Une corde de guitare effleurée du doigt vibre – et l'air autour d'elle transmet ce frémissement à l'oreille. L'espace-temps vibre autrement : lorsqu'une onde gravitationnelle le traverse, il s'étire et se compresse légèrement.

Le ciel nocturne est parsemé d'étoiles, et beaucoup d'entre elles ont des planètes. Mais comment repérer un petit disque sombre devant un soleil lointain ? Le télescope « Kepler » a observé pendant neuf ans des centaines de milliers d'étoiles, attendant qu'une planète passe devant son étoile et l'éclipse un instant.

La fusion de deux étoiles à neutrons, c'est comme un coup de gong : un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers, une onde gravitationnelle. Les détecteurs sur Terre captent ce frémissement et, grâce à son intensité, calculent la distance de la source.

Mesurer l'expansion de l'univers, c'est un peu chronométrer une course alors que la piste s'étire. Les fusions d'étoiles à neutrons servent de sirènes standard : leurs ondes gravitationnelles émettent un « volume » connu, donc un signal plus faible signifie une distance plus grande.

Imaginez une membrane tendue comme une peau de tambour. Elle capte deux signaux à la fois : les ondes gravitationnelles — la courbure de l'espace-temps — et les insaisissables particules de matière noire.

L'Univers est en expansion, et chaque amas de galaxies participe à une danse grandiose. Le rythme de cette danse est donné par la constante de Hubble, mesurée pour la première fois par Edwin Hubble il y a près d'un siècle.

Des astronomes ont découvert dans l'Univers un objet invisible pesant à peine un million de soleils — une broutille à l'échelle cosmique, cent fois plus léger que tout ce qu'on avait pu « peser » à de telles distances. L'objet lui-même n'émet aucune lumière, mais il s'est trahi en courbant la lumière d'une galaxie encore plus lointaine.