rayon X dur

Au sous-sol du laboratoire, un aimant de 8 teslas bourdonne. À l'intérieur, tel une cloche dans un clocher, est suspendu un cylindre creux en cuivre, accordé sur une note unique. Si un axion, particule de matière noire, venait à passer à proximité, le cylindre répondrait par un tintement faible.

Le télescope à rayons X XMM-Newton a observé la galaxie Mrk 1044 pendant deux heures d'affilée. À l'intérieur, un trou noir autour duquel tourbillonne un gaz surchauffé. Ce gaz émet des rayons X, et sa luminosité tremble : tantôt plus brillante, tantôt plus faible.

À l'intérieur du Soleil, des réactions peuvent produire des particules légères et presque insaisissables : les axions. L'une de ces réactions génère des axions avec une énergie de 5,49 MeV, comme si chacun portait l'énergie d'une balle de tennis filant à 100 km/h.

Un trou noir apparié à une étoile fonctionne comme une pompe : il aspire le gaz de sa compagne, le fait tourbillonner en un disque lumineux et, de temps à autre, éjecte une partie de la matière sous forme de deux jets étroits. En 2021, le système 4U 1543-475 a offert un tel spectacle.

Un « pied à coulisse » cosmique va bientôt mesurer une étoile à neutrons avec une précision d'une centaine de mètres. Pour un objet d'une vingtaine de kilomètres de diamètre, c'est comme mesurer l'épaisseur d'un cheveu humain à un kilomètre de distance. Une étoile à neutrons est le vestige d'une supernova explosée.

À 123 parsecs de la Terre, dans la constellation de la Couronne australe, flotte l'étoile à neutrons RX J1856.5-3754. Son diamètre est d'environ 12 kilomètres, soit moins que le périphérique de Paris, mais sa température de surface atteint 460 000 kelvins.

Un rayon cosmique s'approche d'un trou noir presque tangentiellement. Il ne tombe pas immédiatement, mais reste sur une orbite instable, tel un acrobate en équilibre sur un fil au-dessus d'un gouffre. Après avoir effectué plusieurs tours, la lumière finit par s'échapper vers un observateur lointain.

Les éruptions solaires sont de puissantes explosions sur le soleil, capables de mettre hors service des satellites et de priver des villes entières d'électricité. Leur prédiction est compliquée par l'enchevêtrement des champs magnétiques dans les taches solaires.

Un puissant projecteur qui s'allume et s'éteint. La lumière se réfléchit sur les nuages environnants, et le délai du signal réfléchi permet de déduire la distance des nuages. C'est à peu près ainsi que les astronomes étudient la couronne chaude – le nuage de plasma incandescent au-dessus du trou noir au centre d'une galaxie active. Mais il y a un hic.

Dans la galaxie NGC 3583, les télescopes ont enregistré une source de rayons X inhabituelle : sa luminosité augmente brusquement par périodes, puis s'éteint presque complètement.

L'histoire commence par une perplexité : dans les années 1930, Fritz Zwicky remarque que les amas de galaxies se comportent comme s'ils recelaient une immense masse invisible. Un demi-siècle plus tard, Vera Rubin confirme : les étoiles aux confins des galaxies tournent trop vite pour être retenues par la seule matière visible.

Lorsque la lumière passe à proximité d'un trou noir, elle tombe dans un piège gravitationnel : sa trajectoire est courbée, et la particule zigzague sur une orbite presque fermée, telle une bille de flipper.

Le phare s'embrase puis s'éteint presque, alors que la lampe à l'intérieur brûle d'une flamme régulière. C'est exactement le spectacle qu'ont vu les astronomes en pointant leurs télescopes vers la galaxie I Zwicky 1.

Un chaudron géant qui couve presque toujours, mais qui projette parfois des gerbes d'étincelles. C'est à peu près le comportement du trou noir supermassif au centre de notre galaxie – l'objet Sagittaire A*. Il est quatre millions de fois plus massif que le Soleil et se trouve à 26 000 années-lumière de nous.

La matière noire échappe toujours à l'observation directe, bien que sa gravité maintienne les galaxies ensemble. Une des hypothèses : elle serait constituée d'axions, des particules très légères prédites par la théorie du modèle standard.

Si l'on réduisait un trou noir ordinaire à la taille d'un grain de sable, il brillerait comme une petite étoile et disparaîtrait rapidement dans un éclat. C'est la prédiction de Stephen Hawking : l'horizon des événements se comporte comme une surface chaude qui émet des particules.

Un faisceau de rayons X est un flux de minuscules paquets d'énergie, les photons. Les détecteurs ordinaires les comptent mais ne distinguent pas les nuances : deux photons d'énergie proche sont identiques pour eux. Le nouvel instrument fonctionne comme un thermomètre sensible : il capture chaque photon et mesure à quel point il a chauffé une fine membrane.

Le trou noir GRS 1915+105 se cache généralement derrière un rideau de gaz dense — son émission de rayons X est fortement absorbée sur le chemin vers nous. Mais en avril 2023, il a soudainement érupté : le flux de rayons X a presque décuplé.

Un flash photo ordinaire fige l'instant en quelques centièmes de seconde – mais pour les atomes, c'est une éternité. Dans les molécules, les électrons sautent d'une orbite à l'autre en quelques attosecondes : un milliardième de milliardième de seconde. Pour capturer un tel événement, il faut une impulsion lumineuse plus brève que l'événement lui-même.

À la périphérie de la galaxie M83, également appelée la Roue australe, une rivière de vieilles étoiles flotte dans le vide. Elle s'étend sur 81 kiloparsecs – environ 264 000 années-lumière, soit deux fois et demie le diamètre de notre Voie lactée.

Le ciel nocturne semble immobile, mais parfois une étoile se met soudain à s'embraser. C'est ce qui est arrivé au système AT 2019wey : il a été repéré par le télescope TESS, qui cherche habituellement des planètes autour d'autres étoiles, mais qui, par hasard, photographiait la bonne région du ciel toutes les demi-heures.

La lumière ordinaire, c'est comme une foule sur une place : chaque photon se déplace à sa guise, entre en collision et repart. Mais dans certains milieux, les photons, telle une meute de chiens, se mettent à courir ensemble — ils se regroupent.

Fine comme une toile d'araignée, une pellicule de cinq métaux a encaissé le choc du laser. À l'intérieur, la pression a grimpé jusqu'à 55 gigapascals — c'est comme si cent éléphants se tenaient sur un ongle. L'alliage a tenu le coup et s'est comprimé pendant une fraction de nanoseconde, sans se briser.

Les rayons cosmiques ne sont pas de la lumière, mais des particules chargées qui bombardent la Terre de toutes parts. La plupart sont des protons (noyaux d'hydrogène), mais on trouve aussi des noyaux plus lourds : hélium, azote, fer.

Le trou noir GS 1354-64, dans la constellation de la Mouche, s'est réveillé en 2025 et a commencé à aspirer goulûment la matière de son étoile compagne.

Lorsque de la matière s'accumule à la surface d'une étoile à neutrons — le résidu ultra-dense d'une étoile morte — une explosion se produit, semblable à une gigantesque bombe thermonucléaire. Dans cet enfer, des noyaux d'éléments qui n'existent pas sur Terre naissent en quelques secondes. Pour savoir lesquels, il faut connaître leur masse avec une très grande précision.

Une éruption solaire ressemble à un court-circuit dans une enseigne au néon géante. À l'intérieur du Soleil, les champs magnétiques s'enroulent en boucles, comme des élastiques torsadés, et lorsqu'ils se reconnectent, de l'énergie est libérée dans l'espace.

Dans la pièce sombre du détecteur, l'argon attend. Lorsqu'une particule invisible le traverse – par exemple un candidat matière noire – elle pousse légèrement le noyau d'argon. Le noyau se met en mouvement et des charges apparaissent autour de lui. Combien de charges exactement ?

Le nitrure de bore hexagonal en couche mince est un cousin du graphite, mais transparent et isolant. Dans son réseau cristallin, on rencontre parfois des défauts isolés : un atome de bore ou d'azote manque, et à sa place se forme un piège à électrons. Ce piège peut absorber la lumière et la réémettre, comme une minuscule lampe de poche.

Un laser à électrons libres ordinaire ressemble à un instrument de musique à une seule corde : il ne peut jouer qu'une seule note tant qu'on ne modifie pas sa conception. Pour obtenir une autre longueur d'onde, il faut régler les aimants ou accélérer davantage les électrons. C'est coûteux et encombrant.

La couronne solaire, l'atmosphère externe du Soleil, s'étend sur des millions de kilomètres, mais on ne peut l'observer que lors d'une éclipse totale ou avec des instruments spéciaux.

Une éruption solaire, c'est comme un coup de tonnerre dans un ciel serein : une brève mais puissante libération d'énergie. Le radiotélescope MeerKAT, en Afrique du Sud, a capté une telle éruption de classe M1.3 et l'a examinée avec une netteté sans précédent. Les instruments habituels voient soit les détails brillants, soit les faibles, mais pas les deux à la fois.

Le 1er octobre 2024, une éruption de classe X7.1, l'une des plus puissantes, s'est produite sur le Soleil. Deux sondes spatiales, HXI et STIX, l'ont observée sous des angles différents, comme deux yeux, et, combinées à un modèle informatique, ont permis de reconstituer une image tridimensionnelle.

Une lampe éclaire à travers un brouillard, et sa lumière change légèrement de couleur. De ce changement, on peut déduire la composition du brouillard. C'est ainsi que les astronomes étudient le gaz froid autour des sources de rayons X : les atomes de fer de ce gaz absorbent et réémettent les rayons X à une énergie strictement définie, comme une empreinte digitale.

Les étoiles à neutrons sont les vestiges ultra-denses de supernovas, de la taille d'une ville. Dans les années 1930, Fritz Zwicky en a supposé l'existence, et Jocelyn Bell Burnell a ensuite découvert les pulsars — des étoiles à neutrons en rotation rapide.

Dans le système binaire Cyg X-2, l'étoile à neutrons attire la matière d'une étoile compagne ordinaire. Le gaz qui tombe s'enroule, s'échauffe à des millions de degrés et brille intensément en rayons X.

Dans une pièce sombre, deux lampes de poche éclairent un même mur. En général, leurs faisceaux se superposent simplement, et la tache devient plus lumineuse. Mais si les lampes émettent la lumière par paquets discrets – les photons –, dans certaines conditions, elles peuvent se comporter autrement.

Un télescope à rayons X observe une galaxie voisine et aperçoit un point qui n'était pas là la veille. Un mois plus tard, il s'embrase avec une luminosité des centaines de fois supérieure à celle du Soleil, puis, un an après, il s'éteint à nouveau.

Les rayons cosmiques – des particules d'une énergie prodigieuse – filent dans les ténèbres de l'espace intergalactique. Lors d'une collision frontale, leur puissance pourrait se comprimer en un trou noir de la taille d'un atome.

Chaque seconde, des dizaines de particules venues de l'espace traversent chacun de nous. La plupart sont des protons légers, mais on trouve aussi des noyaux atomiques plus lourds : carbone, oxygène, fer. Ils naissent dans les explosions d'étoiles et voyagent vers la Terre pendant des millions d'années.