propagation des ondes gravitationnelles

Un nuage d'ondes s'effondre sous sa propre gravité. Tant qu'il est diffus, tout se passe comme dans les manuels : le champ oscille légèrement dans un espace presque plat, et les formules approximatives fonctionnent parfaitement. Mais il suffit d'ajouter un peu plus d'énergie pour que le tableau change.

La lumière change de direction dans une lentille, tout le monde le sait. Les ondes gravitationnelles, en passant près d'un corps massif, voient aussi leur trajectoire se courber.

Il y a mille ans, les Vikings emportaient en mer du spath d'Islande. Ce cristal translucide décomposait la lumière en deux faisceaux. En comparant leur luminosité, ils pouvaient trouver le soleil même dans le brouillard. La biréfringence — le terme physique pour ce phénomène — aide aujourd'hui à traquer la force la plus insaisissable du cosmos.

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 ?

Un trou noir, telle une fileuse, enroule autour de lui un nuage de particules légères — les axions. Ces particules sont les principaux candidats pour la matière noire. Le nuage obéit aux lois de la mécanique quantique, rappelant un atome géant : il y a des niveaux, des transitions entre eux.

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.

Lorsqu'une galaxie lointaine nous envoie sa lumière, celle-ci s'affaiblit avec la distance — et c'est grâce à cet affaiblissement que l'on peut savoir à quelle distance elle se trouve.

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.

Si un trou noir tourne rapidement, il peut retenir autour de lui un nuage de particules ultra-légères, si légères que leur masse s'évanouit presque. Ensemble, elles s'organisent en couches, comme les électrons dans un atome, mais ici c'est la gravité qui joue le rôle des forces électriques. Cette structure emmagasine de l'énergie, telle un ressort bandé.

Un trou noir n'est pas un aspirateur éternel. Laissé dans le vide, il disparaît lentement, émettant de l'énergie comme une flaque d'eau qui sèche sur le bitume. Ce processus, prédit par Stephen Hawking, est appelé évaporation. Plus le trou est petit, plus il fond rapidement, et plus son « souffle » est chaud.

Jetez un caillou dans un étang — des cercles se propageront à la surface. De la même manière, un corps massif en orbite autour d'un trou noir perturbe le tissu de l'espace-temps, engendrant des ondes gravitationnelles.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, ils secouent la trame même de la courbure de l'espace-temps. Le géant nouveau-né ne se calme pas instantanément – il résonne, telle une cloche cosmique, émettant un motif caractéristique d'ondes gravitationnelles amorties : le fameux ringdown.

Einstein et Rosen ont imaginé un pont reliant deux feuilles de réalité. Wheeler lui a donné un nom — trou de ver — et Thorne avec Morris ont prouvé que le tunnel est traversable si on le remplit de matière exotique.

Au cœur d'une galaxie active, là où le Milieu interstellaire s'enroule en un éblouissant disque d'accrétion autour d'un trou noir supermassif, naît une frontière que même le son ne peut franchir. Cet horizon acoustique a longtemps été considéré comme une ride figée à la surface de l'eau.

L'eau qui coule dans un tuyau peut devenir un piège à son. Si la vitesse du courant dépasse la vitesse du son dans l'eau, les ondes sonores qui tentent de remonter le courant ne peuvent plus s'en échapper : elles sont emportées, comme la lumière au-delà de l'horizon d'un trou noir.

Un caillou tombe dans un étang — et des cercles réguliers se propagent à la surface de l'eau. Mais le fond de l'étang est jonché de petits morceaux de verre invisibles : chacun retarde légèrement l'onde, la disperse par endroits, ou en modifie le pas.

Un faisceau lumineux qui traverse une plaque transparente conserve généralement sa couleur. Si l'on assemble la plaque à partir de fines couches alternées, elle devient un réseau qui réfléchit et transmet les ondes de manière sélective. On utilise cela depuis longtemps dans les lasers et les filtres optiques.

Pendant longtemps, les cosmologistes n'ont pas pu regarder au-delà du point de départ — la singularité infiniment dense du Big Bang, où les équations de la relativité générale d'Einstein perdent leur pouvoir prédictif.

Selon les lois du modèle standard, un électron obéissant à l'équation de Dirac tremble même au repos complet. C'est le Zitterbewegung — une oscillation d'une amplitude de l'ordre du trillionième de millimètre, comme une toupie sur un axe invisible.

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.