fréquence des ondes gravitationnelles

Le miroir fonce à près de quarante mille kilomètres par seconde. La lumière qui l'atteint rebondit, mais transformée — comme une balle renvoyée par une raquette en mouvement. C'est un tel miroir que des scientifiques ont construit à l'intérieur d'un fil de verre ultra-fin rempli d'hydrogène.

Imaginez une corde tendue entre deux chevilles. Le moindre effleurement la fait vibrer, et la hauteur du son révèle comment on l'a touchée. Des physiciens de l'Université de l'Arizona ont tendu une corde semblable, non pas sur un instrument de musique, mais sur une membrane de silicium d'une centaine de nanomètres d'épaisseur.

Après l'explosion d'une supernova, il reste au centre une boule dense de la taille d'une ville : une étoile à neutrons naissante. Elle est chaude, comprimée, et vibre comme une cloche après un coup.

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.

295 000 mètres par seconde. Même les particules des éjections coronales du Soleil ne filent pas si vite. Pourtant, au cœur de l'amas de galaxies H1821+643, le gaz chaud se déplace exactement à cette vitesse. Le quasar en son centre expire — et son souffle agite tout sur 60 000 années-lumière.

En 10⁻³⁵ seconde après le Big Bang, la partie la plus fulgurante s'est jouée. L'espace s'est dilaté plus vite que la lumière — c'est l'inflation. Presque toute la partition était interprétée par un seul champ, l'inflaton, qui dirigeait le tempo et la tonalité.

Un piège lumineux maintient un atome presque immobile, comme une bille sur un ressort souple. Mais dès qu'une accélération apparaît, par exemple la force de gravité, l'équilibre se déplace. L'atome se déplace dans l'onde stationnaire lumineuse, et cela modifie le rythme auquel il échange de l'énergie avec le champ.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers vibrait comme une cloche. L'inflation — une époque d'expansion rapide confirmée par les mesures du Fond diffus cosmologique — a pris fin, et le champ de l'inflaton a commencé à osciller autour du minimum de son potentiel.

Quand deux trous noirs fusionnent au loin, un frémissement de l'espace nous parvient : ce sont les ondes gravitationnelles. On les décrit habituellement avec les équations d'Einstein, mais que se passerait-il si, aux distances les plus infimes, la gravité fonctionnait autrement ?

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).

Une goutte d'hélium froid frôle dangereusement un trou noir. Ce n'est pas une simple goutte : c'est une étoile morte de la taille de la Terre, mais dont la masse est comparable à celle du Soleil.

Deux sphères massives de vide sombre foncent l'une vers l'autre et se heurtent de plein fouet. Ce n'est pas un billard — c'est la collision de deux trous noirs de masse égale. L'impact fait vibrer l'espace lui-même : ce sont les ondes gravitationnelles.

Dans l'image habituelle, un trou noir est un gouffre sans visage dans la courbure de l'espace-temps. Mais si une coquille de matière vibre autour de lui, l'intervalle entre le bord de l'abîme et cette coquille se transforme en cavité résonnante.

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 ?

Un phare lointain s'embrase un instant, plus brillant qu'une galaxie entière. C'est un sursaut radio rapide — un signal mystérieux venu des profondeurs du cosmos.

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.

Lorsque deux trous noirs supermassifs tournent l'un autour de l'autre avant de fusionner, ils secouent l'espace lui-même — comme un bateau à moteur qui laisse des vagues derrière lui sur un lac. Ces vagues sont appelées ondes gravitationnelles. Elles traversent l'Univers et tout ce qui s'y trouve, même la Terre.

Une tache solaire — île sombre sur la surface incandescente — respire. Toutes les trois minutes, une onde s'en échappe, court le long d'une arche magnétique invisible et fait briller le plasma au-dessus de la tache voisine en un signal radio. Sept de ces éruptions consécutives ont été captées par les radiotélescopes le 14 février 2024.

Deux noyaux de neutrons entrent en collision, et l'espace autour d'eux tremble, comme la surface d'un étang après qu'on y a jeté une pierre. Ces frémissements sont captés par d'immenses détecteurs d'ondes gravitationnelles.

On peut coincer la lumière entre deux miroirs, comme un ressort dans un étau. Elle rebondit d'avant en arrière et devient de plus en plus dense — c'est ainsi qu'on obtient des faisceaux ultra-brillants. Mais il y a une limite : lorsque la brillance devient trop intense, les miroirs se mettent à vibrer.

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.

Une liaison chimique, c'est comme un ressort tendu entre deux atomes. Quand on le casse, les fragments de la molécule s'éloignent, mais ils ne s'immobilisent pas : ils continuent de vibrer, comme une corde pincée. C'est cette vibration que vient de capturer une équipe de chercheurs en brisant une molécule d'iodure de méthyle avec un laser ultraviolet.

Chaque heure, quand les aiguilles de l'horloge se rejoignent sur le douze, quelque chose se passe dans la magnétosphère terrestre. Comme si un chef d'orchestre invisible levait sa baguette — et le long des lignes magnétiques, des ondes courent vers la surface. On les appelle des perles : sur les enregistrements, elles ressemblent à un collier de perles enfilées sur le temps.

Les sursauts gamma sont les explosions les plus puissantes de l'Univers : une étoile mourante s'effondre en un trou noir, libérant des flux d'énergie. Cela arrive souvent après l'explosion d'une supernova.

Le radiotélescope capte un signal durant quelques millisecondes, et en cet instant, une énergie comparable à celle que le Soleil émet en plusieurs jours est libérée. C'est un sursaut radio rapide, une impulsion radio milliseconde provenant d'une galaxie lointaine. Depuis sa découverte en 2007, les astrophysiciens débattent de son origine.