accélération de particules cosmiques

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.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent non seulement des trous noirs supermassifs, mais aussi d'immenses nuages de matière invisible. Si cette matière est composée de particules ultra-légères, elle peut se rassembler en amas denses — une sorte d'« étoiles » de matière noire.

En 1933, Fritz Zwicky évoquait pour la première fois une masse invisible maintenant les amas de galaxies. Des décennies plus tard, Vera Rubin dressait la carte de la rotation galactique, révélant la présence fantomatique de la matière noire.

Depuis la fin du XXe siècle, on sait que l'expansion de l'Univers s'accélère : les galaxies s'éloignent de plus en plus vite. Cette découverte a valu le prix Nobel à Adam Riess, Saul Perlmutter et Brian Schmidt.

Les ondes gravitationnelles — ce frémissement du cosmos provoqué par de lointains cataclysmes — sont si faibles que les capter revient à entendre un murmure dans un ouragan. Mais un trou noir peut les amplifier considérablement.

Depuis près d'un siècle, les cosmologistes se heurtent à une énigme : qu'est-ce qui fait que l'Univers s'étend de plus en plus vite ? La réponse standard — l'énergie noire — engendre un désaccord colossal entre la densité théorique du vide et les observations. Mais il existe une autre voie, qui bouleverse la causalité.

Dans l'image habituelle, un trou noir est un gouffre sans visage dans la courbure de l'espace-temps. Mais si une coquille de matière vibre autour de lui, l'intervalle entre le bord de l'abîme et cette coquille se transforme en cavité résonnante.

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.

Un ballon se gonfle tout seul, alors que personne ne souffle dedans. C'est à peu près ce à quoi ressemble l'expansion accélérée de l'Univers – et pour l'expliquer, on invoque généralement l'énergie noire, une force invisible et incompréhensible. Mais et si le ballon se gonflait parce que de nouvelles molécules d'air apparaissent continuellement à l'intérieur ?

Un minuscule trou noir de la taille d'un noyau atomique flotte dans le bouillon brûlant de l'univers primordial. Normalement, une telle petite créature devrait s'évaporer rapidement, libérant son énergie comme une goutte d'eau sur une poêle brûlante. Mais si l'espace est plus complexe qu'il n'y paraît et contient des dimensions cachées, tout change.

L'Univers se dilate de plus en plus vite, et les scientifiques accusent l'énergie noire. Son origine est expliquée d'une manière nouvelle : l'énergie noire n'est pas éternelle, elle n'apparaît qu'après que la matière noire se soit agglomérée en grumeaux — les futures galaxies.

Un jet d'eau sortant d'un tuyau d'arrosage et frappant un mur s'étale sur les côtés. De la même manière se comportent les jets astrophysiques — d'étroits flux de plasma éjectés des environs des trous noirs ou des jeunes étoiles.

Un trou noir en rotation agit comme un générateur cosmique : sa rotation injecte de l'énergie dans un nuage scalaire invisible – l'un des candidats au rôle de matière noire. Le champ scalaire ressemble à la température : en chaque point de l'espace, il est décrit par un seul nombre, sans flèches ni vecteurs.

Une nouvelle étude le confirme : les ondes de choc dans le plasma autour des trous noirs supermassifs au centre des galaxies agissent comme des vagues océaniques qui propulsent les protons à des vitesses proches de celle de la lumière. Même une vague faible leur cède un dixième de son énergie — comme une petite houle qui enverrait un surfeur dans l'espace.

En 1929, Edwin Hubble a découvert que les galaxies s'éloignent – l'Univers est en expansion, comme une pâte qui lève. Aujourd'hui, nous savons qu'il s'étend de plus en plus vite, et l'on attribue généralement cette accélération à l'énergie noire.

Juste après le Big Bang, des trous noirs primordiaux flottaient dans le plasma brûlant – des amas de masse gros comme une montagne, comprimés dans un volume atomique. Selon la prédiction de Hawking, ils s'évaporaient lentement, émettant un rayonnement comme de minuscules poêles.