réverbération de la raie K-alpha du fer

Toutes les cinq heures, dans le système binaire IPHAS J190812.63+045728.1, un moment survient où une étoile en cache complètement une autre. Pendant 18 minutes, la naine blanche et son disque surchauffé disparaissent de la vue, ne laissant dans l'obscurité que son modeste voisin rouge.

Une pile de pages que l'on a feuilletée de nombreuses fois s'en souvient : certaines feuilles se couchent à plat, d'autres se hérissent, et par endroits, des plis subsistent. C'est à peu près ce qui se passe dans les matériaux en couches lorsque des ions y pénètrent.

Pour mesurer le disque invisible, on n'applique pas la règle directement dessus, mais à travers tout l'Univers. La lumière d'un quasar lointain, du gaz incandescent qui tourbillonne autour d'un trou noir supermassif, traverse en chemin une galaxie qui joue le rôle de lentille.

La galaxie Mrk 590 se comporte comme un récepteur radio qui tantôt capte une onde, tantôt se perd dans le bruit. Son trou noir supermassif s'est allumé et éteint pendant des décennies, et les astronomes ont saisi chacune de ces « mises en marche ».

Un faisceau laser frappe une fine cible cachée à l'intérieur de couches d'un autre matériau. En quelques milliardièmes de seconde, la matière est comprimée jusqu'à une densité de 25 grammes par centimètre cube — c'est comme si un morceau de plomb devenait plus de deux fois plus lourd tout en restant en place.

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.

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.

L'objet cosmique tourne, mais son ombre n'est pas ronde. Des astrophysiciens ont examiné un trou noir dans une version inhabituelle de la gravité — le soi-disant monde-brane (où notre Univers est une surface tridimensionnelle dans un espace à plus grand nombre de dimensions).

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.

Mai 2022. Le polarimètre spatial IXPE, le spectroscope NuSTAR et le moniteur NICER fixent simultanément le même point du ciel — le trou noir du système Cygnus X-1, où il orbite autour d'une supergéante bleue dans une binaire serrée avec une période de 5,6 jours.

Un trou noir est un endroit d'où rien ne peut s'échapper. Mais certaines théories suggèrent qu'en profondeur, au niveau quantique, il pourrait rebondir et se transformer en son opposé : un trou blanc, qui ne fait qu'expulser de la matière et de la lumière. Une équipe de physiciens a construit un modèle informatique de cette transformation.

L'Univers refroidissait comme une baignoire géante après un début brûlant. 400 000 ans après le Big Bang, l'hydrogène était déjà prêt à se recombiner — les protons capturaient les électrons pour devenir des atomes neutres. Mais quelque part dans cette eau sombre, un robinet continuait de goutter.

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 ?

Dans un système binaire serré, une étoile chaude, tel un projecteur, éclaire son compagnon plus froid. Une partie de la lumière est diffusée par les électrons libres de son atmosphère — c'est la diffusion de Thomson — et acquiert une polarisation linéaire.

Le trou noir n'est pas un vide figé, mais un moteur magnétique vivant. Son « cœur » — le disque d'accrétion — pulse : à l'inspiration, la matière s'enroule en entonnoir ; à l'expiration, la reconnexion magnétique déchire les lignes de champ, et le plasma jaillit loin de l'horizon.

Un trou noir classique possède une température et d'autres propriétés thermodynamiques. Lorsque les physiciens ont commencé à prendre en compte la variation de la constante cosmologique — l'énergie du vide —, un étrange couplage est apparu dans les équations.

Dans le plasma incandescent de l'Univers naissant, juste après l'expansion inflationniste imaginée par Alan Guth, régnait l'ère de la domination cinétique.

Un laser puissant frappe le diamant comme un marteau de forgeron. Seule l'enclume est la matière elle-même. Le choc ne dure qu'un instant, mais engendre une pression un million de fois supérieure à la pression atmosphérique.

Dans l'Univers primordial, de minuscules trous noirs ont pu naître — avec la masse d'une montagne, mais la taille d'un noyau atomique. Aujourd'hui, ils pourraient servir d'usines à matière noire.

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.

Un trou noir géant a déchiqueté une étoile, laissant derrière lui un disque de gaz brûlant de travers — comme un vinyle gondolé par la chaleur. Désormais, un minuscule trou noir (ou une étoile) tourne autour et transperce régulièrement ce disque. Chaque perforation produit une éruption brillante de rayons X.

Autour d'un feu invisible tourbillonne un gaz incandescent. Le feu lui-même est caché, mais ses contours se devinent à la façon dont les flammes dansent. C'est à peu près ainsi que les astronomes « voient » les trous noirs — non pas l'objet lui-même, mais la matière surchauffée qui, avant de tomber dans l'abîme, est accélérée à des vitesses énormes et brille.

Frappez une cloche, elle sonne. Mais le son n'est pas quelconque : la cloche choisit elle-même les notes accordées à son métal. Il s'avère qu'un trou noir se comporte de la même manière. Lorsque quelque chose y tombe ou que son espace-temps se courbe, il se met à osciller.

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.

Une éponge jetée dans un seau d'eau absorbe avidement l'humidité et gonfle à vue d'œil. Mais si l'on ajoute constamment de l'eau et que l'on comprime puis relâche l'éponge, l'absorption devient plus difficile et dure plus longtemps. C'est à peu près ainsi que se comportaient les minuscules trous noirs au tout début de l'Univers.

Le télescope à rayons X XRISM a observé le noyau de la galaxie Cygnus A pendant 170 000 secondes — l'une des sources radio les plus puissantes du ciel. En son centre se cache un trou noir supermassif qui aspire la matière et la chauffe jusqu'à ce qu'elle émette des rayons X.

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.

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.

Une lanterne brille à travers un épais brouillard. La lumière se diffuse sur les gouttelettes d'eau et la lanterne paraît floue. Autour d'un trou noir, il se passe quelque chose de semblable : un gaz brûlant, tel un brouillard, l'enveloppe, et les rayons X provenant des régions internes du disque traversent ce nuage.

Au centre d'un immense entonnoir qui aspire tout autour de lui, une petite boule tombe en spirale. Tandis qu'elle tournoie, un grondement grave naît — c'est l'espace lui-même qui vibre, et nous appelons cette vibration ondes gravitationnelles. Leur fréquence augmente, le ton s'élève — tout comme le son de la sirène d'une voiture qui passe.

Le gaz qui tombe vers un trou noir s'enroule en spirale, comme l'eau dans un entonnoir. Dans ce flux, des boucles magnétiques naissent et éclatent sans cesse — un peu comme des éruptions solaires, mais bien plus puissantes. Chaque boucle est un minuscule aimant qui vit sa propre vie.

Un trou noir n'est pas simplement une sphère sombre dans l'espace. Si du gaz et de la poussière se trouvent à proximité, ils s'enroulent en un disque plat et lumineux qui tombe progressivement vers l'intérieur. Ce disque, telle une lampe, éclaire le trou lui-même, et sur ce fond brillant on distingue son ombre — une silhouette sombre aux bords nets.

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.

L'analyse par fluorescence X classique fonctionne comme un recenseur méticuleux : pour connaître la composition d'un tableau, il parcourt chaque centimètre carré et note dans son registre s'il y a du plomb ou du cuivre. Pour une feuille plane, cela reste supportable, mais pour un objet en volume, c'est une épreuve.

Au centre de la Voie lactée se trouve le trou noir supermassif Sagittarius A*. Il est quatre millions de fois plus massif que le Soleil, mais à l'échelle cosmique, il se comporte calmement : il ne s'illumine que rarement, lorsqu'il avale une portion de gaz.

Au centre de la galaxie PDS 456 brille un quasar — un trou noir qui dévore du gaz, émettant une lumière plus brillante que des centaines de milliards d'étoiles. Le télescope à rayons X XRISM a scruté cette lumière et y a vu une palissade de bandes sombres, semblables à l'ombre d'une clôture en bois au coucher du soleil.

Au centre de la lointaine galaxie MCG-6-30-15 se trouve un trou noir supermassif. Autour de lui tourne un disque de gaz incandescent, et au-dessus du disque flotte un nuage de particules encore plus chaudes — la couronne. En février 2024, trois télescopes à rayons X — XRISM, NuSTAR et XMM-Newton — ont observé ce système simultanément.

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.

Lors de l'éruption de 2021, le trou noir du système GX 339-4 s'est comporté comme une actrice qui change de costume entre les scènes. Dans l'état dur, il arborait deux couronnes à la fois : une chaude et ténue, et par-dessus, une tiède et dense. Dans l'état mou, seule la couronne chaude subsistait.