inspirale à rapport de masse extrême

Dans le nuage dense de gaz et de poussière où naissent les étoiles massives, deux jeunes étoiles se sont récemment frôlées de très près. Leur danse ne dure qu'une soixantaine d'années, et pour la première fois, les astronomes en ont observé les détails.

Un réseau de radiotélescopes dispersés sur toute la planète capte le murmure d'un trou noir lointain. Chaque antenne enregistre un signal, mais comment combiner ces enregistrements si les horloges des stations ne battent pas à la même vitesse et si l'atmosphère déforme les ondes qui arrivent ?

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.

Une pièce silencieuse, et il faut y distinguer une mélodie parmi une multitude de bruissements à peine audibles. C'est à peu près à cela que ressemble la recherche de signaux provenant de systèmes extrêmes de deux trous noirs — l'un énorme, l'autre des millions de fois plus petit.

Deux trous noirs tournent dans une danse cosmique, se rapprochant en spirale. Au final, ils fusionnent en un seul — et cet instant produit une puissante onde gravitationnelle, une ondulation de l'espace-temps lui-même. Et que reste-t-il après la fusion ?

Au centre d'une galaxie se trouve un trou noir supermassif, entouré d'un vaste nuage ténu de matière noire. Il n'émet pas de lumière, ne chauffe pas, mais par sa gravité il courbe l'espace et change les règles du jeu pour tout ce qui gravite à proximité.

Le cosmos est plein d'ondes invisibles — des ondulations de l'espace laissées par des catastrophes comme la collision de trous noirs. Un trou noir ordinaire absorbe tout sans laisser de trace.

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 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…

Lorsqu'une étoile géante épuise son carburant, elle s'effondre en un trou noir. Un tel trou possède une frontière externe — l'horizon des événements, au-delà de laquelle même la lumière ne peut s'échapper.

Dans une étude récente, des astrophysiciens montrent comment la physique d'avant la recombinaison, en particulier l'énergie noire primordiale, influence la dérive spectrale $$α_s$$ et, par conséquent, la viabilité des scénarios de formation de trous noirs primordiaux issus de la phase d'ultra-lente glissade (USR) pendant l'inflation.

Au centre de galaxies lointaines, des « balises » à rayons X s'allument parfois. Elles ne clignotent pas au hasard, mais suivant un calendrier strict — toutes les quelques heures ou quelques jours. Ces sursauts sont appelés éruptions quasi périodiques (répétées à intervalles presque réguliers).

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont enregistré une impulsion étrange : le signal GW241011. Deux trous noirs ont fusionné, mais la paire semblait inhabituelle : l'un des trous était environ trois fois plus léger que l'autre, et l'ensemble du système tournait rapidement.

Une minuscule étoile tourne autour d'un trou noir géant en rotation. Peu à peu, elle s'en rapproche en spirale, et cette danse dure des milliers d'années. Pendant tout ce temps, des ondes se propagent dans l'espace — comme des ronds dans l'eau, mais ce sont des ondes gravitationnelles. On peut les « entendre » avec des détecteurs spéciaux.

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.

Un trou noir en rotation rapide, où l'espace-temps est courbé à l'extrême, ressemble à une cloche qui peut sonner pendant des siècles. Ses oscillations particulières s'atténuent à peine, perdant leur énergie incroyablement lentement.

Un funambule tournoie au-dessus d'un gouffre en spirale, se rapprochant du centre à chaque tour. Sa trajectoire n'est pas un glissement fluide, mais une série de secousses brusques et de pauses. C'est à peu près ainsi qu'un petit trou noir se comporte lorsqu'il est attiré par un voisin supermassif.

Un trou noir supermassif dérive dans un nuage de matière noire. Dans le scénario habituel, cette substance invisible ajoute simplement de la masse et n'interagit presque pas avec la matière ordinaire. Mais les particules de matière noire pourraient posséder une rotation propre — un spin.

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.

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 presque chaque grande galaxie vit un trou noir supermassif — un géant silencieux autour duquel tourbillonnent étoiles, gaz et d'autres trous noirs plus petits. De temps en temps, l'un de ces objets quitte son orbite et commence à tomber vers le monstre central en une spirale de plus en plus serrée.

Les ondes gravitationnelles émises par un minuscule corps tombant vers un trou noir agissent comme une radiographie. Mais au lieu de traverser un os, elles sondent l'espace-temps courbe lui-même.

Une petite pièce de monnaie tourne autour d'une lourde boule de bowling. La pièce, c'est un petit trou noir ou une étoile à neutrons, et la boule, c'est un trou noir supermassif au centre d'une galaxie.

Un trou noir géant a déchiqueté une étoile, laissant derrière lui un disque de gaz brûlant de travers — comme un vinyle gondolé par la chaleur. Désormais, un minuscule trou noir (ou une étoile) tourne autour et transperce régulièrement ce disque. Chaque perforation produit une éruption brillante de rayons X.

D'ordinaire, les trous noirs se rapprochent progressivement, tournoyant dans une spirale qui se resserre. Cette danse engendre une longue ondulation d'ondes gravitationnelles — un frémissement dans la trame de l'espace-temps elle-même.

L'Univers est rempli d'une substance invisible qui régit le mouvement des galaxies. Dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin a montré que sans matière noire, les étoiles des confins se seraient dispersées depuis longtemps. Mais de quoi est-elle faite ? On l'ignore.

Une pierre tombe dans un puits – et une seconde plus tard, on entend un plouf. Une étoile tombe dans un trou noir – et disparaît derrière l'horizon, ne laissant qu'un frémissement de l'espace. Mais que se passerait-il si le fond du puits n'était pas une impasse, mais un passage ?

Les ombres des objets supermassifs au centre des galaxies — M87 et la Voie lactée — sont devenues des icônes de l'astrophysique moderne. Mais que se passerait-il si ces ombres n'étaient pas la trace d'une absorption, mais d'un passage ?

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).

Un patineur tourne sur la glace en se rapprochant progressivement du centre. Sa trajectoire n'est pas une spirale parfaite : parfois, il tombe dans le rythme de la musique et effectue un tour supplémentaire, modifiant légèrement sa vitesse. C'est à peu près ce qui se passe pour un petit trou noir lorsqu'il tombe sur un trou noir supermassif.

Au centre d'un immense entonnoir qui aspire tout autour de lui, une petite boule tombe en spirale. Tandis qu'elle tournoie, un grondement grave naît — c'est l'espace lui-même qui vibre, et nous appelons cette vibration ondes gravitationnelles. Leur fréquence augmente, le ton s'élève — tout comme le son de la sirène d'une voiture qui passe.

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 toupie lancée sur une table vacille : l'axe de rotation est incliné et le mouvement devient irrégulier. C'est un peu ce qui se passe pour les trous noirs autour desquels tourne un disque de gaz et de poussière.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, l'espace est secoué par des ondes gravitationnelles, et le trou noir nouvellement né reçoit une puissante impulsion, comme un canon qui tire. Au centre des galaxies, il tombe souvent dans un disque de gaz — un nuage de matière en rotation, semblable à une cible.

Deux trous noirs tournent de plus en plus vite l'un autour de l'autre et finissent par fusionner. Cette danse ébranle l'espace lui-même : des ondes se propagent depuis le lieu de la rencontre, comme les cercles provoqués par une pierre jetée dans l'eau. Parfois, la fusion s'accompagne d'un éclair de lumière.

Deux trous noirs non rotatifs qui fusionnent produisent des ondes gravitationnelles — des ondulations dans la trame de l'espace-temps que captent des instruments développés avec la participation de Kip Thorne.

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.

Les trous noirs sont des toupies cosmiques. Leur rotation courbe l'espace-temps courbure de l'espace-temps (comme l'a prédit Albert Einstein) et est décrite par un paramètre de spin allant de 0 à 1.

Un bâton jeté dans un étang coule en ligne droite. Mais si l'eau de l'étang monte lentement, le bâton ralentit et coule ailleurs que prévu. Il en va de même pour les trous noirs : on pense souvent que l'espace autour d'eux est vide, mais tout l'Univers s'étire peu à peu.

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.