bande de fréquence

Quelque part dans les profondeurs de la Voie lactée, des impulsions radio éclatent de temps en temps – rares, régulières, comme les battements d'un métronome lointain. Ces transitoires radio à longue période ont été découverts récemment et ont immédiatement laissé les astronomes perplexes.

Le faisceau d'une lampe de poche perce un brouillard. Plus le brouillard est épais, plus la lumière est diffusée et plus elle met de temps à atteindre l'œil. Un principe similaire s'applique aux sursauts radio rapides — ces impulsions mystérieuses et extrêmement puissantes venues de galaxies lointaines.

À la fin de la vie d'une étoile massive, son cœur s'effondre en une fraction de seconde, donnant naissance à l'éclair d'une supernova. Ce cataclysme secoue l'espace-temps lui-même : il émet des ondes gravitationnelles, une ondulation qui traverse l'Univers.

Dans une pièce sombre, on entend à peine un murmure. Pour distinguer les mots, il faut s'approcher tout près – ou disposer de nombreux microphones sensibles.

On peut envoyer une impulsion radio courte vers un trou noir et attendre l'écho réfléchi. On pourrait penser que plus le signal est court, mieux il sonderait les moindres détails de l'espace près de l'horizon – cette région d'où même la lumière ne revient pas.

Le tout premier instant de l'existence de l'Univers ressemble à une corde tendue que l'on aurait soudainement frappée. Elle a vibré, et ces oscillations se sont figées sous forme de galaxies et de vides. Mais les physiciens soupçonnent qu'il y a eu d'autres vibrations, rapides et locales, presque comme un roulement de tambour sur fond de mélodie lente.

La cloche ne sonne pas sous l'impact, mais sous le frémissement éphémère de l'espace. Une onde gravitationnelle – comme une ride sur un étang – traverse un aimant massif, qui se déforme légèrement. Cette déformation peut être convertie en signal électrique.

Jetez une pierre dans l'eau : près du point d'impact, les vagues sont chaotiques — c'est le champ proche. Plus loin, elles s'étalent en cercles réguliers — le champ lointain. Ce même principe régit les antennes pour la communication térahertz, l'avenir de l'Internet ultra-rapide.

La réduction active du bruit crée un « anti-son » pour annuler le bruit. Mais les systèmes classiques sont aveugles : ils ne savent pas d'où vient le son. Dans les pièces avec écho, c'est comme boxer les yeux bandés — on atténue à l'aveugle.

Les sursauts radio rapides — des impulsions radio millisecondes provenant de galaxies lointaines — sont longtemps restés une énigme.

Il y a un demi-siècle, Fritz Zwicky remarquait que la matière visible dans les amas de galaxies était dramatiquement insuffisante pour expliquer la gravitation.

L'Univers primordial ressemblait à une salle surpeuplée où des particules lourdes entraient en collision et se désintégraient à un rythme effréné. Parmi elles, il pouvait y avoir des leptoquarks scalaires — des particules qui s'accrochent à la fois à un quark (la brique de la matière) et à un lepton (par exemple, l'électron).

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.

Les astronomes écoutent le cosmos comme un vieux poste de radio : ils tournent le bouton non pas pour trouver une station précise, mais pour capter tout bruit inhabituel. Cette approche sort des sentiers battus : au lieu de chasser les ondes gravitationnelles selon des schémas appris par cœur, ils attrapent tout ce qui passe, sans parti pris.

Une corde fondamentale, pincée au moment du Big Bang, ne se contente pas de bourdonner sur une seule note : des vagues courent le long d'elle, et de temps en temps, de minuscules boucles se détachent. Ces boucles, comme des diapasons, se mettent à vibrer à leur fréquence propre, produisant un son très aigu.

Une pierre tombe dans un étang et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Si ces cercles rencontrent une branche émergée, une partie de l'ondulation se réfléchit, une autre contourne l'obstacle.

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.

Un microphone ultra-sensible tente de capter le murmure d'une galaxie lointaine. Mais le microphone lui-même tremble à cause de la chaleur : ses atomes dansent comme du pop-corn dans une casserole. Les physiciens appellent cette danse le bruit thermique, et il étouffe souvent les signaux faibles.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont des microphones qui écoutent les frémissements de l'espace. Mais leur propre bruit étouffe les signaux faibles.

Un diapason, une fois mis en vibration, fait vibrer les cordes voisines. C'est à peu près ce que fait un nuage de particules ultralégères (aussi appelées axions) autour d'un trou noir en rotation rapide.

Au centre de la Voie lactée, une barre d'étoiles tourne – un amas allongé, semblable à une pale en rotation. Sa gravité crée un champ rythmique autour d'elle, comme les vagues d'un bateau à moteur.

Les trous noirs primordiaux se comportent comme des bouilloires en ébullition : en s'évaporant, ils sifflent en émettant des ondes gravitationnelles. La nature du sifflement — son spectre — dépend de la relation entre la température du trou et sa masse.

Le radiotélescope capte un signal de la nébuleuse du Crabe — et sur l'écran, au lieu d'une ligne régulière, apparaissent des bandes claires et sombres, comme sur la peau d'un zèbre. C'est l'émission du pulsar, une étoile à neutrons en rotation rapide, vestige d'une explosion de supernova.

Un peigne ordinaire sépare les cheveux en mèches régulières. Un « peigne » laser fait de même avec la lumière : il n'émet pas une seule couleur, mais des milliers de couleurs, espacées par des pas de fréquence strictement identiques.

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.

Une corde de guitare effleurée du doigt vibre – et l'air autour d'elle transmet ce frémissement à l'oreille. L'espace-temps vibre autrement : lorsqu'une onde gravitationnelle le traverse, il s'étire et se compresse légèrement.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations de la courbure de l'espace-temps qui étirent et compriment imperceptiblement tout sur leur passage. Mais la Lune, telle une cloche, capte ces ondes : lorsqu'une onde gravitationnelle la traverse, elle fait vibrer notre satellite.

Deux géants noirs tournent l'un autour de l'autre puis entrent en collision — un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers. Ce frémissement est capté par les détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Imaginez une membrane tendue comme une peau de tambour. Elle capte deux signaux à la fois : les ondes gravitationnelles — la courbure de l'espace-temps — et les insaisissables particules de matière noire.

Une plaque d'acier avec un réseau de 8×8 cellules atténue les ondes élastiques dans deux couloirs de fréquences à la fois. Ce n'est pas un coup de chance, mais le résultat d'un calcul selon un nouveau schéma : d'abord un motif grossier pour la basse fréquence, puis un affinage fin dans les pixels libres pour la haute fréquence.