ondes gravitationnelles de binaires excentriques

Le ciel nocturne est plein d'anneaux et de bulles, mais en radio, ils se présentent autrement. Dans les données du radiotélescope australien ASKAP, une structure est apparue, semblable à deux bulles de savon soufflées avec la même paille.

Un phare qui ne clignote pas à chaque seconde, mais toutes les quelques minutes, voire quelques heures. C'est exactement le comportement des transitoires radio à longue période, des sources cosmiques découvertes très récemment.

Quelque part au fin fond du cosmos, deux trous noirs supermassifs tournent l'un autour de l'autre. Leur danse n'est pas fluide — l'orbite est allongée, comme un élastique qui se tend puis se relâche. Chaque révolution engendre une ondulation dans le tissu de l'espace-temps — les ondes gravitationnelles.

En mai 2020, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré le sursaut gravitationnel GW200105. Parmi la multitude d'ondes gravitationnelles similaires, celui-ci se distinguait par une étrangeté : l'orbite de l'étoile à neutrons et du trou noir en collision n'était pas un cercle parfait, mais une…

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.

Distinguer le signal d'une paire de trous noirs supermassifs, c'est comme entendre les pas d'un danseur dans le fracas d'un ouragan. Quelque part dans l'espace, ces monstres tournent dans un tango gravitationnel lent, déformant l'espace-temps lui-même.

Un manège : une structure légère est plus facile à faire tourner, une massive l'est moins. C'est à peu près ce qui se passe pour les étoiles à neutrons, ces vestiges ultra-denses d'étoiles explosées. Des astronomes ont examiné une cinquantaine de systèmes binaires où une étoile à neutrons orbite autour d'une autre, et ils ont remarqué : plus l'étoile est massive, plus sa période de rotation est longue.

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.

Une cavité micro-onde ordinaire ressemble à une boîte à musique : elle ne répond qu'à des fréquences bien précises — ses propres notes. Mais que se passerait-il si on la faisait sonner autrement ? Des scientifiques ont changé les règles du jeu en rendant les parois « unidirectionnelles ». À l'intérieur d'une telle cavité, l'onde ne peut courir que vers l'avant, sans se réfléchir en arrière.

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…

Au centre d'une galaxie, un énorme trou noir est enveloppé d'un nuage invisible — un essaim de particules ultra-légères qu'il a lui-même engendré. Dans ce nuage plonge un autre trou noir, de la taille d'une étoile, et commence une longue danse en spirale.

Les vagues trient les galets sur une plage de sable. Les petits cailloux sont serrés les uns contre les autres, presque identiques en taille. Un peu plus loin du rivage, on trouve un mélange de plus gros et de plus variés. Et au bord de l'eau, là où les vagues sont les plus fortes, s'accumulent les plus gros blocs, bien arrondis.

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.

En 2022, les astronomes ont commencé à découvrir d'étranges balises cosmiques — les sursauts radio à longue période. Contrairement aux pulsars rapides découverts par Jocelyn Bell Burnell en 1967, ces objets s'allumaient avec une périodicité de plusieurs dizaines de minutes à plusieurs heures.

Deux patineurs tournent sur la glace. L'un, léger et prudent, tourne à peine. L'autre, massif et rapide, tourne à toute allure, et même dans des directions différentes. C'est à peu près le tableau que dressent les ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de trous noirs.

Une toupie tourne à grande vitesse et, au lieu d'un ronronnement régulier, émet un bourdonnement sourd — parce qu'elle est légèrement cabossée. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les étoiles à neutrons : des sphères de la taille d'une ville, compressées à une densité telle qu'une cuillère à café de leur matière pèse autant qu'une montagne.

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.

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.

Un orchestre de millions d'instruments joue une seule note, mais chacun entre à son moment et avec sa propre intensité. C'est ainsi que résonne le fond stochastique d'ondes gravitationnelles — le grondement des fusions de trous noirs impossibles à distinguer individuellement.

Deux boules lourdes tournent à la surface d'un étang. Des cercles s'en échappent — ce sont les ondes gravitationnelles. Lorsque les boules se rapprochent, les ondes emportent de l'énergie, et les cercles deviennent plus fréquents.

Une balançoire se met à osciller de plus en plus fort si on la pousse en rythme. Un mécanisme similaire se déclenche lorsqu'une étoile morte tourne autour d'un trou noir massif enveloppé d'un nuage de particules ultra-légères. Ces particules sont des candidates pour la matière noire (la substance invisible qui empêche les galaxies de se disloquer).

Lorsque des trous noirs se rapprochent puis s'éloignent — sans fusionner, en effleurant simplement leurs champs gravitationnels — ils deviennent des projectiles idéaux pour tester les lois de la gravité.

Un couple de patineurs tourne en se tenant par la main. Si la trajectoire est un cercle parfait, chaque poussée du partenaire est prévisible. Mais si on l'allonge en ovale, les efforts deviennent inégaux : à l'approche, une secousse ; à l'éloignement, une accalmie. C'est à peu près ce que font deux trous noirs dans les dernières minutes avant leur fusion.

Deux trous noirs s'enroulent l'un autour de l'autre non pas dans une ronde gracieuse, mais comme deux pierres jetées de rives opposées dans un gouffre profond. Leur orbite ressemble à un ovale très aplati — l'excentricité est proche de l'unité.

Une étoile de matière noire est un océan invisible de particules ultralégères, dont l'existence fut soupçonnée par Fritz Zwicky dès les années 1930. Dans cet océan plonge une étoile à neutrons — une petite boule incroyablement dense. La friction contre la matière noire, comme contre l'eau, accélère sa chute vers le centre.

On pensait autrefois que seules les galaxies de forme elliptique pouvaient engendrer d'immenses jets d'émission radio — des jets radio provenant des trous noirs supermassifs centraux. Une nouvelle étude a prouvé le contraire : parmi les galaxies spirales, on trouve aussi de puissantes fontaines radio.

Le bourdonnement d'une place bondée : c'est ainsi que résonne le fond gravitationnel de l'Univers, capté par un réseau de pulsars — des étoiles qui pulsent avec la régularité d'une horloge. Dans ce vacarme se dissimulent les « empreintes » de paires de trous noirs qui tourbillonnent l'un autour de l'autre.

Les éclipses dans les étoiles doubles sont comme une horloge : la naine blanche (le résidu dense d'une étoile) passe régulièrement devant sa compagne, et la lumière s'éteint brièvement. Mais pour la plupart de ces paires, l'horloge avance ou retarde de quelques secondes sur des années. Les astronomes ont mesuré ces dérèglements dans 43 systèmes et ont trouvé une régularité.

Le système binaire SS433 est connu pour son trou noir qui arrache de la matière à son étoile compagne. Une partie du gaz tombe dans le trou, tandis qu'une autre est éjectée en deux jets étroits qui tournoient comme une toupie. Ces jets sont visibles en radio et en rayons X.

Le couvercle d'un pot de confiture qui claque – voilà le héros de cette histoire. On appuie dessus, et il bascule avec un bruit sec de la position bombée à la position creuse. C'est exactement ce que fait une poutre articulée à l'intérieur de chaque cellule du nouveau treillis mécanique.

Les paires d'étoiles larges ressemblent à deux danseurs qui se tiennent par la main mais se trouvent à chaque extrémité de la salle. Leur lien est faible, et n'importe quel passant peut les séparer. Les astronomes ont trouvé 26 de ces paires et ont vérifié à quel point elles sont solidaires.

Un trou noir en rotation est un tourbillon cosmique qui aspire tout ce qui l'entoure. Certains de ces trous possèdent des filaments invisibles qui s'étendent depuis l'horizon des événements, comme les rayons d'une roue. Les scientifiques ont longtemps débattu de la nature de ces filaments et de la possibilité de les observer.

À environ 25 000 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Sagittaire, un voile dense est enroulé autour de l'étoile à neutrons GX 13+1. Il diffuse les photons de rayons X comme un brouillard diffuse la lumière d'un réverbère, et il a longtemps caché aux astronomes la puissance réelle de la source.

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+.