ondes gravitationnelles de matière noire

Une étoile à neutrons, c'est une ville de la taille de Manhattan qui pèse comme un demi-million de Terres. Une cuillère à café de sa matière pèserait plus lourd que l'Everest. Et maintenant, dans cette boule superdense, on a mélangé quelque chose d'invisible et d'insaisissable : des particules de matière noire.

L'Univers est une immense salle de concert où, au lieu de murs et de balcons, flottent des nuages invisibles de matière noire. Cet ensemble architectural n'est pas statique : il réfracte et diffuse la « musique » qui le traverse — les ondes gravitationnelles issues des fusions de trous noirs.

Les ondes gravitationnelles issues de la fusion de trous noirs résonnent comme des accords de basse, les pulsars marquent le rythme, et le rayonnement fossile nous parvient comme un écho du Big Bang. Mais il y a un acteur silencieux — la matière noire, dont la présence n'est révélée que par ses effets gravitationnels.

La fusion de trous noirs n'est pas un choc silencieux. Le trou noir né de la fusion tremble et s'amortit, émettant des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace lui-même.

Traditionnellement, un trou noir est décrit par trois paramètres : masse, charge et moment angulaire.

Près d'un siècle après que Fritz Zwicky a soupçonné quelque chose d'anormal dans le mouvement des galaxies de l'amas de la Chevelure de Bérénice, et que Vera Rubin a mesuré les vitesses stellaires dans les bras spiraux, la nature de la matière noire reste l'une des énigmes les plus lancinantes.

La lumière traverse un film froissé – et en ressort légèrement modifiée. C'est à peu près ce que ressentent les ondes gravitationnelles nées dans l'Univers primordial lorsqu'elles traversent la répartition grumeleuse des galaxies et de la matière noire.

Quand un piano tombe dans un précipice, on pense au précipice. Pas à la housse qui recouvre le piano. De la même manière, les astrophysiciens ont pendant des décennies observé les rencontres extrêmes entre de petits corps et de grands trous noirs. Ce qui les intéressait, c'était le trou noir lui-même et ce qui tournait autour.

Au centre de la Voie lactée, comme une poupée russe dans une autre, se cache un trou noir supermassif, entouré d'un essaim d'étoiles et d'une coquille invisible de matière noire. Cette coquille, ou « pic », devrait en théorie être très dense près de l'horizon.

Un microphone hypersensible qui n'écoute pas le son, mais les frémissements de l'espace lui-même. C'est ainsi que fonctionnent les détecteurs d'ondes gravitationnelles — LIGO, Virgo, KAGRA.

Le 14 mai 2019, les détecteurs LIGO ont enregistré un sursaut gravitationnel qui sortait de l'ordinaire. L'événement GW190521 s'est présenté comme la collision de deux trous noirs de 85 et 66 masses solaires.

Une étoile à neutrons est un résidu ultra-dense d'une explosion de supernova, où une cuillère à café de matière pèse un milliard de tonnes.

L'univers est imprégné d'une substance invisible — la matière noire ultra-légère, qui n'entre pas en collision avec la matière ordinaire mais peut frémir, telle une corde tendue.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était un chaudron bouillonnant. Mais ensuite, selon cette nouvelle hypothèse, il a brutalement refroidi pendant un court instant — bien plus que ce que l'on pensait auparavant.

La matière noire est la grande invisible du cosmos. Elle n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit la lumière, mais son emprise gravitationnelle se ressent dans chaque mouvement des galaxies. Il y a soixante-dix ans, Vera Rubin a montré que les périphéries des galaxies tournent trop vite, comme si un berger invisible les fouettait.

Juste après le Big Bang, l'espace s'est couvert d'ondulations — des ondes gravitationnelles, comme celles provoquées par une pierre jetée dans l'eau. Ces vibrations de la trame même de l'univers, prédites par Alan Guth, se sont étendues à tout le cosmos.

Un détecteur rempli d'hélium-4 superfluide ressemble à un lac parfaitement calme. Le liquide ne clapote pas, ne bouillonne pas — il est figé dans un état quantique unique. Un visiteur invisible le traverse — une particule de matière noire. Elle-même n'émet pas de lumière et ne laisse aucune trace.

Dans une immense salle, une centaine de diapasons sont disposés. Chacun d'eux est un pulsar, un vestige ultra-dense d'étoile qui tourne à une vitesse folle et émet des impulsions radio plus précises que n'importe quelle horloge. Lorsqu'une onde sonore grave traverse la salle, tous les diapasons se désaccordent légèrement en même temps.

Dans le monde quantique, les électrons peuvent se comporter comme des ondes. Si on leur crée des conditions particulières, ces ondes commencent à ressentir quelque chose qui ressemble à la gravité. Dans les cristaux appelés semi-métaux de Weyl, les électrons se déplacent comme s'ils étaient sans masse, et leur énergie dépend de la direction, à la manière d'un cône incliné.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de la courbure de l'espace-temps, qui se propagent depuis leur source comme les cercles à la surface de l'eau après qu'on y a jeté un caillou.

Chaque soir, dans les archives municipales, l'agent de service range les nouveaux dossiers sur les étagères. Si la journée en a apporté trop, les étagères plient et, le lendemain matin, les archives répondent plus lentement aux demandes. C'est à peu près ainsi que fonctionne la mémoire d'un trou noir : elle ne se contente pas de stocker l'information, elle en ressent physiquement le poids.