ondes gravitationnelles à haute fréquence

Une corde tendue émet un son plus aigu lorsqu'on la tend davantage. C'est à peu près ce que fait l'aimantation dans un antiferromagnétique : plus le champ externe est fort, plus elle oscille rapidement. Mais dans le cristal d'oxyde de chrome, quelque chose ne s'est pas passé comme prévu.

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.

L'amas de galaxies RXC J0528.9−3927 ressemble à une ville enveloppée de brume : au centre, un halo radio brille intensément, et plus loin, au-delà des limites habituelles, les astronomes ont discerné une lueur à peine perceptible. Elle s'étend sur deux millions d'années-lumière — trois fois plus loin que le halo lui-même.

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.

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.

Lorsqu'une étoile plusieurs fois plus massive que le Soleil meurt, elle se contracte puis explose en supernova. Ce n'est pas seulement un éclair de lumière : tout le processus, de l'effondrement du noyau à l'expansion de l'enveloppe, génère des frémissements de l'espace lui-même.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, des ondulations se propagent à travers le tissu de l'espace-temps : ce sont les ondes gravitationnelles. Mais que se passerait-il si, à la place de l'un d'eux, il n'y avait pas un trou noir ordinaire, mais quelque chose d'autre — un objet compact exotique ?

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.

Une toupie qui fait cent tours par seconde se met soudain à perdre de la vitesse — bien plus vite que toutes les toupies connues. C'est exactement ce que fait le pulsar J0435+3233. C'est une étoile morte, comprimée à la taille d'une ville, mais tournant à une vitesse folle.

L'Univers résonne, mais notre oreille ne perçoit que les graves. LIGO entend le grondement des fusions de trous noirs — c'est l'infrason du cosmos. Plus haut, dans les gigahertz, tintent les flûtes et les violons de la gravitation primordiale.

Dans les premiers instants après le Big Bang, matière et antimatière étaient presque en quantités égales. Mais quelque chose a rompu l'équilibre — sinon tout aurait annihilé en rayonnement, et le monde serait resté vide. L'un des candidats au rôle de « perturbateur » est le neutrino droit superlourd.

L'Univers est un immense orchestre interprétant la partition de l'expansion. Les galaxies s'éloignent au rythme d'une musique inaudible : l'énergie noire.

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.

Les pulsars sont des étoiles mortes qui tournent avec une régularité impeccable. Leurs émissions radio sont plus précises que des horloges atomiques.

Les ondes gravitationnelles sont des oscillations de la trame même de l'espace-temps, semblables aux vibrations d'une corde cosmique géante.

L'Univers résonne comme un orchestre : ses notes sont les ondes gravitationnelles, des ondulations de l'espace-temps prédites par Albert Einstein. Les observatoires LIGO, dont la sensibilité doit beaucoup à Rainer Weiss, tentent de les capter.

La matière noire est la grande invisible du cosmos. Elle n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit la lumière, mais son emprise gravitationnelle se ressent dans chaque mouvement des galaxies. Il y a soixante-dix ans, Vera Rubin a montré que les périphéries des galaxies tournent trop vite, comme si un berger invisible les fouettait.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, le trou résultant « sonne » pendant un certain temps, émettant des ondes gravitationnelles — telle une cloche qui résonne avant de s'éteindre. Cette sonnerie est captée par des détecteurs géants conçus par Rainer Weiss et Kip Thorne.

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.

En 2015, les détecteurs LIGO ont capté la première bouffée d'ondes gravitationnelles — les astronomes ont entendu deux trous noirs entrer en collision loin dans l'espace.

Au centre de nombreuses galaxies se trouve un trou noir supermassif. Lorsque du gaz tombe dessus, il s'échauffe et brille plus intensément qu'une galaxie entière — c'est un noyau actif. Parfois, un véritable ouragan s'en échappe : un flux de gaz ionisé qui file à des vitesses de plusieurs dizaines de pour cent de la vitesse de la lumière.

Le radiotélescope FAST, en Chine, est une antenne géante de 500 mètres de diamètre, nichée dans un entonnoir naturel au milieu des montagnes.

Une étoile massive, 40 fois plus lourde que le Soleil, meurt en une fraction de seconde. Son cœur se comprime comme un ressort trop serré, puis se détend brusquement : c'est l'explosion d'une supernova.

Les trous noirs ne sont pas des gouffres silencieux, mais des diapasons naturels. Leur rotation vertigineuse, prédite par Roger Penrose, fait chanter l'espace-temps lui-même, engendrant un flux de particules ultralégères, les axions.

Un sursaut gamma, c'est comme un coup de canon cosmique : un éclair bref mais éblouissant qui, pendant quelques secondes, éclipse une galaxie entière.

On pensait autrefois que seules les galaxies de forme elliptique pouvaient engendrer d'immenses jets d'émission radio — des jets radio provenant des trous noirs supermassifs centraux. Une nouvelle étude a prouvé le contraire : parmi les galaxies spirales, on trouve aussi de puissantes fontaines radio.

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.

C'est Albert Einstein qui avait prédit les ondes gravitationnelles — ces frémissements de la trame même de la courbure de l'espace-temps.

Dans l'amas de galaxies de la Chevelure de Bérénice, à environ 320 millions d'années-lumière de nous, s'étend un nuage invisible à l'œil nu. Il brille dans le domaine radio – c'est un halo radio, un amas géant de particules chargées accélérées à une vitesse proche de celle de la lumière.

Un radiotélescope a capté un signal provenant de trois galaxies qui existaient lorsque l'Univers avait moins d'un milliard d'années. Leur émission radio est si puissante qu'on dirait que chacune a donné naissance à mille soleils par an pendant une courte période. Pour comparaison, notre Voie lactée ne produit que deux ou trois étoiles par an.

Les rayons X émis près d'un trou noir n'arrivent pas immédiatement. Une partie d'entre eux tombe d'abord sur le disque de gaz incandescent, s'y réfléchit, puis seulement file vers le télescope. Ce retard, c'est comme un écho en montagne : on entend d'abord le son direct, puis la réponse de la paroi rocheuse.

La nuit, quand la plupart des gens dorment, l'immense parabole du radiotélescope de Green Bank, en Virginie-Occidentale, continue d'écouter le ciel. En 24 186 heures — soit près de trois ans d'observation continue — elle a capté 50 pulsars et trois sursauts radio rapides.

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.

Pendant douze ans, les astronomes du radiotélescope LPA à Pouchkino ont écouté la même région du ciel — la direction de la galaxie 3C 33. Pendant ce temps, ils n'ont capté que six brefs signaux radio, chacun durant de une à quatre minutes.

Dès sa naissance, l'Univers ne s'est pas contenté de s'étendre : il a été gonflé à une vitesse inimaginable. Cette phase, appelée inflation, a été proposée par Alan Guth. De nouveaux modèles comparent ce processus au gonflage d'un ballon par à-coups. Si, entre deux à-coups, le piston marque une pause d'un instant, le ballon se contracte et claque.

Le trou noir du système binaire Swift J1727.8-1613 scintille en rayons X comme un feu de camp dans le vent. Mais si l'on observe attentivement le rythme de ce scintillement, on distingue des « bosses » nettes — des sursauts à certaines fréquences, semblables à des battements de tambour dans le bruit d'une foule.

Il y a 7 milliards d'années, un trou noir au centre d'une galaxie a produit une éruption de rayons gamma, le rayonnement le plus énergétique qui soit, d'une puissance incroyable. Sa lumière, après avoir traversé les abysses cosmiques, a atteint les télescopes MAGIC en décembre 2017.

De brèves et puissantes perturbations radio provenant de l'espace lointain ont longtemps laissé les scientifiques perplexes. On pense que leur source est le noyau ultra-dense d'étoiles mortes, où les champs magnétiques sont d'une intensité inimaginable.