rayonnement électromagnétique

Sur une route étroite, deux caravanes avancent l'une vers l'autre. L'une, large et lente, transporte une cargaison de densité. L'autre, une file de chariots légers chargés de courant, se faufile entre les premiers. Ainsi, dans la décharge d'un magnétron coexistent deux structures qui tournent en sens opposés : la raie de densité et les filaments de courant.

Au cœur d'une éruption solaire, les lignes de champ magnétique se déchirent comme des élastiques tendus et se reconnectent en quelques minutes, libérant une énergie qui suffirait à l'humanité pendant des millions d'années.

Dans un cristal, la chaleur voyage sur des ondes. Les atomes vibrent, et ces vibrations – appelées phonons – transportent l'énergie du bord chaud vers le bord froid.

L'électron n'est pas un simple point. C'est un nuage de probabilité, étalé dans l'espace. Lorsque ce nuage entre en collision avec une impulsion laser puissante, il peut émettre un photon de haute énergie — un quantum gamma.

L'agonie d'un trou noir solitaire dure une éternité. Mais dans les derniers instants, lorsque la masse s'évapore selon la loi découverte par Stephen Hawking, elle a le temps d'envoyer un signal d'adieu radio.

Les ondes radio s'étouffent dans le sol après quelques mètres à peine. Mais le champ magnétique le transperce de part en part, comme un pont invisible. C'est sur ce pont que repose la communication dans les mines et les grottes.

Le sursaut dure un millième de seconde, mais en cet instant, il libère autant d'énergie que le Soleil en émet en une journée. Ces signaux, appelés sursauts radio rapides, sont captés par les télescopes depuis 2007, et leur origine reste une énigme.

Un faisceau de lumière entre dans un verre trouble et s'éteint — c'est courant. Mais les physiciens savent depuis longtemps faire passer la lumière à travers sans perdre un seul photon. Cette astuce s'appelle la transparence électromagnétiquement induite : deux ondes lumineuses s'annulent mutuellement au bon endroit, et l'absorption disparaît.

Le mystère des sursauts radio rapides (FRB) n'est pas seulement une question de « qu'est-ce qui a explosé ? ». C'est un drame de transfert d'énergie dans des conditions extrêmes, où le moindre accroc mène à l'effondrement.

Un phare envoie son signal à travers une tempête de miroirs — c'est à peu près ce que vivent les sursauts radio rapides lorsqu'ils tentent de quitter les environs d'un magnétar. Un magnétar est une étoile à neutrons dont le champ magnétique est un quadrillion de fois plus intense que celui de la Terre.

L'électron et le muon sont de minuscules aimants. Leur magnétisme est légèrement supérieur à deux (dans des unités spéciales), et cette « fraction excédentaire » (le moment magnétique anomal) naît de l'agitation constante du vide : des paires de particules apparaissent et disparaissent brièvement.

Des scientifiques ont fait en sorte que des ondes électromagnétiques se perdent à jamais dans un labyrinthe tridimensionnel de particules métalliques. Jusqu'à présent, cela n'avait été réalisé que pour le son ou les électrons. L'entropie — mesure du désordre — a joué ici le rôle d'un cul-de-sac : les ondes se superposaient et s'annulaient mutuellement, perdant leur direction.

Deux boules électrisées s'attirent avec une certaine force. Si l'on remplace leurs charges par des pôles magnétiques, un dynamomètre à ressort indiquera exactement la même force. Avec les trous noirs, c'est la même histoire — sauf qu'au lieu de ressorts, c'est le tissu de l'espace-temps qui travaille.

Les étoiles à neutrons sont les vestiges ultra-compacts d'étoiles, où la matière est compressée à la limite décrite par Subrahmanyan Chandrasekhar.

Lorsque de nombreux atomes excités sont rassemblés, ils émettent souvent de la lumière de manière coordonnée — comme une foule qui applaudit en rythme. Ce phénomène bien connu s'appelle la superradiance de Dicke. Mais les auteurs de la nouvelle étude se sont demandé : que se passe-t-il si les atomes ne sont pas identiques et que chacun ressent ses voisins ?

Une pierre tombe dans un étang : près du bord, les rides sont presque invisibles, mais à l'endroit de l'impact, l'eau bouillonne. Le champ électrique autour d'une charge se comporte de la même manière : à proximité, il est intense et chaotique ; à distance, il s'étire en une onde régulière qui emporte de l'énergie.

La paume au-dessus d'une plaque chauffante sent la chaleur, même lorsque l'air autour semble frais. Quelque chose de similaire se produit avec les électrons dans l'effet Aharonov-Bohm : la particule ressent la tension électrique, même si elle entre dans une région où le champ est déjà éteint.

Un manège de lumière ne fait pas tourner des gens, mais des électrons. Au lieu de chevaux de bois, ce sont des pales invisibles de lumière. C'est exactement ce « manège » que des physiciens ont construit pour donner une rotation aux électrons. Habituellement, pour transformer un flux d'électrons en tourbillon, il faut un minuscule masque — un pochoir avec des fentes, gravé à l'échelle atomique.

Deux étoiles à neutrons se rapprochent en spirale, prêtes à fusionner en un instant. Leur danse ne dure que quelques fractions de seconde, mais juste avant le final, l'une des étoiles percute l'enveloppe magnétique de l'autre — tel un nageur qui fend l'eau en soulevant des vagues. À cet instant naît un système complexe de courants qui emportent l'énergie au loin.

Deux étoiles à neutrons sont des résidus ultra-denses d'astres morts, chacune de la taille d'une ville mais plus lourde que le Soleil. Dès 1934, leur existence fut prédite par Fritz Zwicky. Une cuillère à café de cette matière pèse des milliards de tonnes.

Chaque voyelle correspond à une forme particulière de la bouche, de la langue et du pharynx. Lorsqu'on prononce « a », « i » ou « u », ce n'est pas seulement l'air qui change à l'intérieur de la tête, mais aussi la façon dont les ondes radio la traversent.

Parmi les aimants, il existe de discrets maîtres de la métamorphose. Un aimant ordinaire attire les trombones et possède deux pôles – nord et sud. Mais il existe des matériaux qui, à l'intérieur, sont organisés comme un échiquier magnétique : leurs atomes sont alignés selon un ordre strict, mais à l'extérieur, le matériau se comporte de manière neutre, comme s'il n'y avait pas d'aimant du tout.

La surface d'Europe est une armure de glace sans cesse mitraillée par des particules chargées provenant de la magnétosphère de Jupiter. Les électrons percutent le réseau cristallin de la glace, perdent de l'énergie et déclenchent des réactions chimiques.

Un électron qui traverse un gaz ressemble à un nageur essayant de traverser une piscine bondée. Chaque collision avec un atome modifie sa trajectoire et sa vitesse. Dans un gaz d'argon dense, ces collisions sont si nombreuses que la description simple cesse de fonctionner.

Lorsque la lumière arrache un électron à un atome, celui-ci s'envole comme une balle perdue dans la foule. Les scientifiques voulaient depuis longtemps savoir à quel instant exact chaque électron quittait l'atome, mais une mesure directe perturbait le processus.

Les ondes radio nous entourent, mais notre œil ne les voit pas. Ce nouveau capteur, de la taille d'un ongle, les transforme en une tache colorée sur un petit écran. À l'intérieur de la puce se trouve une couche de cristaux liquides, ceux-là mêmes que l'on trouve dans les écrans de téléphone. Parmi eux sont tissés de fins fils ferromagnétiques.

Dans un morceau d'oxyde de manganèse épais de quelques couches atomiques, les électrons se comportent comme une foule dans un escalator : chacun suit ses propres règles, mais ensemble ils créent un flux commun. Les physiciens ont dirigé un rayonnement X mou sur ce film et en ont arraché des électrons.

Dans un cristal supraconducteur, les électrons s'alignent parfois en ondes de charge – comme des rides sur l'eau, mais faites de particules elles-mêmes. Certaines ondes s'étendent loin, d'autres ne vivent que sur de courtes distances. Des scientifiques ont pris le matériau YBa$$_2$$Cu$$_3$$O$$_{6.67}$$ et l'ont frappé avec de courtes impulsions de rayons X pour observer les deux types d'ondes.

La lumière n'est pas simplement un rayon, c'est une onde dont le champ électrique varie à une vitesse inimaginable pour nos horloges ordinaires. Jusqu'à présent, on ne pouvait mesurer ce champ qu'en un seul point, comme on mesure la température avec un seul thermomètre.

Le champ magnétique ressemble à l'ombre d'un objet : il change avec la forme de la source. Mais si l'on place une lentille sur le trajet de la lumière, on peut modifier l'ombre.

Une particule chargée, enroulée par un champ magnétique, ne reste pas silencieuse : elle émet de la lumière. Cette lumière est appelée rayonnement synchrotron, et on la rencontre partout – des galaxies lointaines aux accélérateurs de laboratoire.

Une feuille de graphène est un réseau d'atomes de carbone en forme de nid d'abeilles. Les électrons y filent si vite qu'on dirait qu'ils n'ont pas de masse, comme la lumière. Quand une impulsion laser puissante frappe cette feuille, les électrons reçoivent un coup de pied et commencent à accélérer.

Le plasma est un gaz si chauffé que les électrons se détachent des atomes. Des ondes similaires au son dans l'air s'y propagent, mais elles sont gouvernées par le champ magnétique. Si le champ magnétique devient non uniforme, mais périodique — comme une clôture avec des planches alternées — les ondes se comportent différemment.

Le champ magnétique terrestre ressemble à une rivière invisible qui serpente sous nos pieds. Les navigateurs et les géologues consultent les cartes de cette rivière, mais les instruments ne prennent des mesures qu'en des points isolés, laissant des zones blanches entre eux. Les combler, c'est un peu comme dessiner le lit d'une rivière à partir de quelques cailloux trouvés sur la berge.

Dans le flux de particules chargées qui souffle en continu depuis le Soleil, il arrive que des sursauts radio apparaissent — de brefs signaux puissants sur une fréquence que l'on peut capter avec un récepteur radio ordinaire. Jusqu'à présent, on ignorait comment ces signaux naissaient précisément dans ce flux.

Deux minuscules vortex magnétiques, appelés skyrmions, se déplacent sur un film mince. Lorsqu'ils se rapprochent, il ne se produit pas une simple attraction ou répulsion, mais une alternance des deux — comme si deux flotteurs sur l'eau se rapprochaient puis s'éloignaient, obéissant à une vague invisible.

Une onde ordinaire dans un aimant ressemble à des rides à la surface de l'eau : plus le pas de l'onde est court, plus son énergie est élevée. Les physiciens appellent ces ondes des magnons. Mais dans une fine couche de grenat de bismuth et d'yttrium, on a réussi à créer des ondes au comportement inverse : leur énergie diminue lorsque la longueur d'onde se réduit. Ce sont des antimagnons.

La résonance magnétique, c'est comme un diapason qui ne vibre que sur sa note. Chaque molécule a sa propre fréquence, et grâce à elle, on peut identifier la molécule et son état. Mais avant, on écoutait ce diapason à travers un mur épais : le signal était flou et on ne pouvait pas distinguer la note exacte.

La naine rouge V374 Pegasi est une étoile d'un tiers de la taille du Soleil, mais avec un tempérament de volcan. Toutes les quelques heures, d'immenses amas de plasma se détachent de sa surface, comme des bulles de vapeur s'échappant d'une chaudière bouillante.

L'océan ressemble à un gâteau en couches : en haut, de l'eau chaude et légère ; en bas, de l'eau froide et dense. Entre les couches, à l'interface, se promènent des vagues invisibles depuis la surface. Elles ne soulèvent pas de crêtes comme une tempête, mais balancent lentement toute la colonne d'eau – comme si quelqu'un secouait un immense aquarium de l'intérieur.