trou noir de masse intermédiaire

Un petit monstre se cache dans une galaxie naine, et c'est son voisin qui le nourrit. La galaxie satellite fusionne lentement avec une voisine massive, et le gaz des régions externes tombe vers le centre, où se trouve un trou noir.

La lumière d'une galaxie lointaine nous parvient à travers sa propre poussière. Cette poussière n'est pas un brouillard uniforme, mais des nuages déchiquetés, semblables à des lambeaux de coton.

Un trou noir de 35 000 masses solaires navigue à travers le gaz de la galaxie comme une péniche dans le brouillard. Sa gravité ratisse la matière devant lui, et derrière se forme une traînée dense — un sillage de gaz. Une partie de ce gaz est happée par le trou noir, qui grossit.

Un comptable a passé en revue toutes les usines, les entrepôts et les magasins, mais le bilan ne colle pas : la moitié de la marchandise s'est comme volatilisée. C'est à peu près ce que vivent les astronomes depuis des décennies en cherchant la matière ordinaire dans l'Univers actuel.

Dans une galaxie lointaine, à environ 290 millions d'années-lumière de nous, se cache l'objet HLX-1. Autrefois, il brillait plus fort que des centaines de milliards de soleils ; aujourd'hui, il s'est tu. De 2018 à 2022, les télescopes spatiaux Hubble, Chandra et Swift ont observé son déclin.

Deux galaxies – notre Voie lactée et son compagnon, le Grand Nuage de Magellan – tournent lentement l'une autour de l'autre. Leur attraction gravitationnelle agite les confins lointains de la Voie lactée, comme un caillou jeté dans un étang fait onduler l'eau.

Au cœur de la plupart des galaxies se cachent des trous noirs supermassifs, maîtres de la gravité. Depuis 2019, grâce à l'interférométrie à très longue base, nous voyons leurs ombres : des silhouettes sombres sur un fond de gaz incandescent. Mais qu'est-ce qui dessine exactement cette ombre ?

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).

La lumière d'un blazar lointain (un noyau actif de galaxie qui projette un jet dans notre direction) voyage vers nous pendant des milliards d'années. En chemin, elle génère des gerbes de particules chargées que le champ magnétique intergalactique dévie sur les côtés.

Les détecteurs LIGO et Virgo capturent les ondulations de l'espace-temps, mais certains signaux obligent à réécrire les scénarios de mort stellaire.

Au cœur de presque chaque grande galaxie brille un noyau actif — un trou noir supermassif entouré d'un disque plat en rotation de gaz incandescent. Ce disque scintille déjà par lui-même, mais les astrophysiciens ont suspecté qu'un essaim entier de petits trous noirs de masse stellaire se cache à l'intérieur.

Quand un piano tombe dans un précipice, on pense au précipice. Pas à la housse qui recouvre le piano. De la même manière, les astrophysiciens ont pendant des décennies observé les rencontres extrêmes entre de petits corps et de grands trous noirs. Ce qui les intéressait, c'était le trou noir lui-même et ce qui tournait autour.

Imaginez un funambule en équilibre au-dessus d'un gouffre. Chaque pas modifie la tension du fil, et le moindre déplacement du centre de gravité peut être fatal.

Une loupe concentre la lumière du soleil en un point brillant. Si le verre présente un défaut minuscule, la tache lumineuse se déforme. C'est à peu près ainsi que fonctionne la lentille gravitationnelle : une galaxie massive courbe les rayons lumineux d'une source plus lointaine, créant une image agrandie et parfois déformée.

Les trous noirs sont de deux sortes : les minuscules, vestiges d'explosions de supernovae, et les géants au cœur des galaxies. Mais où sont passés les intermédiaires, de quelques centaines à quelques milliers de masses solaires ?

Les trous noirs peuvent être légers — issus d'étoiles mourantes — ou supermassifs — au cœur des galaxies. Il manquait le chaînon intermédiaire.

L'Univers est rempli d'une substance invisible qui régit le mouvement des galaxies. Dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin a montré que sans matière noire, les étoiles des confins se seraient dispersées depuis longtemps. Mais de quoi est-elle faite ? On l'ignore.

Dans le centre densément peuplé de la galaxie, deux étoiles tournent si près l'une de l'autre que l'une arrache les couches externes de l'autre — comme le vent emporte un vêtement. Il reste un noyau d'hélium brûlant, une étoile sans enveloppe d'hydrogène.

Deux boules massives tournent non pas sur un cercle régulier, mais sur un ovale très aplati, tantôt se rapprochant, tantôt s'éloignant. C'est à peu près ainsi que se comportent les paires de trous noirs sur des orbites allongées.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations du tissu de l'espace, comme les cercles à la surface de l'eau après qu'on y a jeté une pierre. Sur Terre, le trafic, les marées et les tremblements de terre les noient, un peu comme une tempête qui agite un lac et empêche de remarquer de faibles remous.

Un orchestre de millions d'instruments joue une seule note, mais chacun entre à son moment et avec sa propre intensité. C'est ainsi que résonne le fond stochastique d'ondes gravitationnelles — le grondement des fusions de trous noirs impossibles à distinguer individuellement.

Des astrophysiciens ont mené un recensement des objets invisibles qui ne se trahissent que par un frémissement de l'espace. Ils ont étudié le tout nouveau catalogue GWTC-4 — une liste de dizaines de fusions de trous noirs enregistrées par les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO, Virgo et KAGRA.

Récemment, des astronomes ont repéré trois comètes interstellaires venant des profondeurs de l'espace. L'une d'elles, 3I/ATLAS, s'est révélée étonnamment grande — son noyau atteint plusieurs kilomètres de diamètre.

Dans l'Univers primordial, la densité des amas stellaires était si élevée que des étoiles colossales, de la taille du Système solaire, s'y formaient. Si une telle géante remplaçait le Soleil, sa frontière extérieure s'étendrait jusqu'à l'orbite de Jupiter.

Un feu allumé avec de l'alcool pur brûle fort et ne dégage presque pas de fumée. C'est à peu près ainsi que brillaient les premières étoiles — elles ne contenaient pas d'éléments lourds, seulement de l'hydrogène et de l'hélium laissés par le Big Bang.

Le lithium est comme un thermomètre plongé dans les entrailles d'une étoile. Cet élément léger se détruit à une température d'environ 2,5 millions de degrés, si bien que sa quantité en surface révèle à quel point la matière stellaire a été mélangée en profondeur.

Le télescope James Webb a détecté des trous noirs — c'est ainsi que les a nommés John Wheeler, tandis que Karl Schwarzschild les décrivait comme des pièges à lumière — qui, dès 500 millions d'années après le Big Bang, pesaient plus lourd que des…

Depuis près d'un siècle, les astronomes traquent la matière noire, cette armature invisible qui empêche les galaxies de se désagréger. Le premier à en parler fut Fritz Zwicky, puis Vera Rubin en a prouvé l'existence en montrant que les étoiles des confins galactiques se déplacent trop vite.

Dans les amas de galaxies, la matière noire invisible sert de charpente qui maintient les systèmes stellaires ensemble. Sa forme est révélée par une lueur diffuse — les étoiles arrachées aux galaxies par les forces de marée.

Autour de certaines étoiles binaires serrées, où une naine blanche aspire de la matière à son étoile compagne, les astronomes observaient une arche lumineuse. On la prenait pour une onde de choc — le lieu où le vent stellaire rapide percute le gaz interstellaire. Mais de nouvelles observations montrent que l'arche n'est pas unique.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont capté un grondement sourd – la trace de la fusion de deux objets invisibles. Leur masse totale s'est avérée inférieure à celle du Soleil.

Dans les données radio du ciel, comme sur une vieille pellicule photographique, deux bandes de gaz lumineuses sont apparues. Elles se déplacent à des vitesses différentes, mais restent suspendues près de la même étoile faible. L'étoile et les bandes se trouvent à l'intérieur d'une immense bulle vide dans le gaz interstellaire.

Les nuages de gaz de la Voie lactée donnent naissance à des étoiles, et les plus lourdes d'entre elles sont de véritables géantes. On pensait autrefois qu'une telle étoile s'allumait presque instantanément, comme une ampoule. Mais une nouvelle étude montre que l'étoile grandit progressivement, comme une boule de neige qui dévale une pente. Plus elle roule, plus elle grossit.

Un trou noir est invisible tant qu'une étoile ne passe pas à proximité. Alors, les forces de marée étirent l'étoile comme un cuisinier étale sa pâte, et une partie de la matière tombe dans le trou, émettant un dernier éclat. Ces événements, appelés disruptions par effet de marée, sont une occasion rare de peser un trou noir qui, autrement, resterait invisible.

Au centre de notre Galaxie s'étend une forêt dense de poussière et de gaz. La lumière des étoiles perce difficilement ce fourré, comme une lampe de poche dans le brouillard. Mais c'est précisément là, dans ce nuage opaque, que naissent de nouvelles étoiles. Les scientifiques ont voulu scruter ce brouillard.

L'Univers est en expansion, et la vitesse de cette expansion suscite des débats. Edwin Hubble a découvert cette expansion il y a près d'un siècle, mais les mesures modernes donnent des valeurs différentes.

Dans les années 2010, les astronomes ont remarqué une chose étonnante : les trous noirs supermassifs au centre des galaxies, malgré d'énormes différences de taille et de luminosité, s'alignent sur une même ligne droite lorsqu'on trace un graphique de leur émission en millimétrique en fonction de leurs rayons X et de leur masse.

Lorsqu'une étoile s'approche d'un trou noir – un objet dont la gravité est si puissante que même la lumière ne peut s'en échapper – les forces de marée la déchirent comme une pâte prise dans les fouets d'un batteur.

Les supernovae de type Ia sont comme des lampes de même puissance : plus la lumière est faible, plus la source est lointaine. Ces supernovae servent à mesurer les distances des galaxies lointaines. Mais la poussière cosmique, telle une vitre sale, atténue et teinte la lumière, ce qui fausse les calculs précis.

Les particules de matière noire peuvent se comporter comme de la mélasse : dans un modèle, elles ne se gênent pas ; dans un autre, elles se bousculent légèrement, créant une viscosité. Cela détermine la vitesse à laquelle les trous noirs géants au centre des galaxies tombent l'un vers l'autre et fusionnent.