Instabilité de Jeans

Au centre d'une galaxie, là où un trou noir supermassif enroule autour de lui un disque de gaz incandescent, naissent parfois des étoiles géantes. Elles ne ressemblent pas aux étoiles ordinaires : le disque les nourrit continuellement de matière, et l'étoile peut atteindre des centaines de masses solaires, restant brillante tant que le flux de gaz ne tarit pas.

Au cours des premiers demi-milliards d'années après le Big Bang, les galaxies poussaient comme du chiendent. Le gaz s'y engouffrait à toute vitesse et s'effondrait en étoiles sans rencontrer de résistance. Cette période est appelée « formation d'étoiles sans entrave ».

Tout objet pulsant a un moment où le rythme se dérègle. Pour les étoiles bosoniques — des amas hypothétiques de particules ultra-légères — ce moment se situe au point où la masse cesse de croître. Les auteurs de l'étude ont calculé le mode radial le plus bas (le ton fondamental de la « respiration ») pour toute une famille de ces étoiles, y compris des modèles avec auto-interaction.

La lumière du quasar J0744+2052 a voyagé près de 12 milliards d’années jusqu’à nous. En chemin, elle a rencontré des nuages d’hydrogène qui ont arraché au spectre certaines raies, à la manière d’un peigne qui élimine des fréquences fines. Les astronomes appellent cette structure la forêt Lyman-alpha.

L'effondrement du cœur d'une étoile ressemble à la compression d'un ressort : la matière tombe vers l'intérieur, et une étoile à neutrons naît au centre. Mais la chute n'est jamais parfaitement régulière.

Un feu de camp brûle régulièrement et longtemps. Mais qu'un vent se lève, et la flamme vacille, ne laissant que des braises. Une histoire similaire s'est jouée avec le gravastar — un objet hypothétique qui devait remplacer le trou noir. Un trou noir ordinaire cache en lui une singularité — un point où les lois de la physique s'effondrent.

Dans la quête de la nature de la matière noire, l'une des hypothèses les plus intrigantes plonge ses racines dans les tout premiers instants après le Big Bang.

Un trou noir ressemble à une goutte de liquide visqueux en rotation. Normalement, une telle goutte tend à rester entière : la diviser réduirait sa surface, ce qui contredit la loi de non-décroissance de l'entropie (une mesure du désordre, comme une tasse cassée qui ne se recolle pas toute seule).

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

Un nuage géant de matière invisible agit comme un miroir déformant — il dévie la lumière d'une galaxie lointaine. Grâce à ces distorsions, les astronomes peuvent peser le nuage et sonder ses entrailles.

La matière noire est l'armature invisible de l'univers. Elle n'émet pas de lumière, mais son attraction maintient les étoiles dans les galaxies. Dans certains modèles, les particules de cette matière peuvent entrer en collision et échanger de l'énergie, comme les molécules d'un air chauffé.

Un patineur sur glace ramène ses bras contre son corps et sa rotation s'accélère brusquement. Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant et que son noyau s'effondre, un phénomène analogue se produit, mais à l'échelle cosmique.

Une galaxie lointaine paraît toujours plus rouge qu'elle ne l'est en réalité. C'est l'effet de la poussière cosmique — de minuscules particules solides qui diffusent davantage les rayons bleus que les rouges, comme une brume au coucher du soleil. Des astronomes ont mesuré cet effet pour des dizaines de milliers de galaxies à l'aide de deux instruments puissants.

Une goutte de miel s'étale lentement sur la table, l'eau rapidement. La résistance à l'écoulement — la viscosité — varie selon les liquides. Mais que se passe-t-il si la viscosité change en plein vol, au fur et à mesure que la matière se comprime ou se dilate ?

Dans les années 1960, le physicien Joseph Weber tentait déjà de capturer les ondes gravitationnelles à l'aide de cylindres en aluminium, qui devaient vibrer comme des diapasons sous l'effet des ondulations de l'espace-temps.

Quand une soupe chaude refroidit, des grumeaux se forment à la surface — de même, l'Univers primordial, en refroidissant, a engendré des filaments d'énergie, les cordes cosmiques. Certaines ressemblent à un élastique tendu : tant qu'il est intact, il est stable. Mais si on l'entaille, il se rompt.

Dans une salle bondée où des couples tournoient, une vague peut parfois parcourir l'assemblée : certaines paires se dissocient, d'autres se forment, et le mouvement entraîne tout le monde. C'est un peu ainsi que se comporte un nuage dense de neutrinos — ces particules minuscules qui interagissent à peine avec la matière.

Après le Big Bang, la matière noire et la matière ordinaire (principalement de l'hydrogène) se sont séparées en termes de vitesse.

Un ballon de baudruche dans la main rebondit également dans toutes les directions. En revanche, une bouteille de soda se comporte différemment : le long du goulot, elle est rigide, mais transversalement, elle se déforme facilement. C'est à peu près ainsi que fonctionne la pression à l'intérieur de certaines étoiles : elle peut être inégale selon les directions.

Une étoile pesant cent mille soleils vit de manière brillante mais brève. Sa fin est une contraction rapide en trou noir. Mais juste avant la fin, elle parvient à s'envelopper d'un cocon gazeux dense.

Une rivière coule vers un tourbillon, mais sur son chemin se dresse un barrage percé d'une fente. La majeure partie de l'eau s'accumule devant le barrage, mais une partie, après avoir pris de la hauteur, le survole et tombe directement dans le gouffre.

Dans l'Univers lointain, alors qu'il n'avait que quelques milliards d'années, de nombreuses galaxies ressemblaient à des chaudrons bouillonnants : le gaz s'y condensait si rapidement que les étoiles s'allumaient les unes après les autres, et la poussière, chauffée, brillait intensément dans le domaine submillimétrique.

Un flux d'électrons pénètre dans le plasma comme un jet d'eau frappe un étang calme. Le jet perturbe la surface, créant des vagues qui croissent rapidement et mélangent l'eau. Dans le plasma, ce processus est appelé instabilité de Buneman : le faisceau d'électrons excite des oscillations qui dissipent ensuite son énergie.

Un flux de gaz incandescent file depuis une étoile — et soudain, il s'étouffe, comme s'il avait heurté un mur invisible. C'est exactement ce que des chercheurs ont observé en tentant de reproduire une éruption stellaire à l'échelle du laboratoire.

Dans les nuages froids de gaz interstellaire se cachent de longs et fins filaments, comme des fils dans une pelote. C'est en eux, par contraction, que naissent les nouvelles étoiles. Des astronomes ont sélectionné sept de ces nuages, situés entre 140 et 920 années-lumière, et ont mesuré combien de filaments de différentes épaisseurs ils contiennent.

Dans un disque de gaz et de poussière autour d'une jeune étoile, les particules de poussière se comportent comme des grains de sable dans un courant d'eau : le gaz s'écoule plus vite, la poussière reste en arrière, et une friction apparaît entre eux. Cette friction peut faire osciller les ondes magnétiques qui parcourent le disque.

Deux étoiles tournent autour d'un centre commun, absorbant le gaz d'un nuage environnant. Autour de chaque étoile et autour de la paire entière se forment des disques de gaz en rotation. De ces disques, comme des tuyaux d'arrosage, jaillissent des jets. À l'intérieur des disques, le gaz est constamment brassé — c'est l'instabilité magnétorotationnelle.

Dans les nuages froids de gaz interstellaire s'étirent de longs filaments denses. À l'intérieur, comme dans des incubateurs surpeuplés, mûrissent les futures étoiles.

Dans un nuage de gaz froid où naît une étoile, la chimie sommeille. Les molécules se heurtent rarement, les réactions s'immobilisent. Mais si une particule chargée traverse le nuage, elle arrache des électrons aux atomes – elle les ionise. Ainsi, dans le nuage endormi, apparaissent des ions actifs, prêts à construire de nouvelles molécules.

Dans un nuage sombre où aucune étoile ne s'est encore allumée, le gaz commence à se resserrer vers un centre commun. C'est ainsi que naissent les étoiles les plus massives de la Galaxie, celles qui sont des dizaines de fois plus lourdes que le Soleil.

Un morceau de pâte, si on le tire sur les côtés, ne s'étire pas uniformément : à un endroit, il s'amincit et se déchire. Un tissu vivant se comporte de manière similaire, mais au lieu d'une déchirure, des bandes de cisaillement apparaissent — des zones étroites où les cellules commencent à glisser les unes sur les autres, comme des cartes dans un jeu qu'on coupe.

Au cœur d'une immense cité de galaxies flotte un épais nuage de gaz. Il a refroidi au point que, selon toutes les lois de la physique, il devrait s'effondrer pour former de nouvelles étoiles — comme la vapeur sur une vitre froide se condense en gouttelettes. Mais la vitre reste sèche.

Dans un tokamak, le plasma est comme une foule dans une rue étroite : dès que quelqu'un se met à courir, tout le monde s'emballe d'un coup. Dans un stellarator à section non circulaire, la rue est sinueuse, avec des impasses et des recoins. La foule ne peut pas se rassembler en une seule vague — les gens restent coincés dans différents coins.

Un amas de galaxies ressemble à un carrefour animé où des voitures-galaxies foncent à travers un vent contraire de gaz chaud. Ce vent, appelé pression dynamique, arrache aux galaxies leurs réserves de gaz froid — le carburant de la formation d'étoiles. Les astronomes du relevé SAMI ont suivi ce processus sur des centaines de galaxies dans huit amas proches.

Au centre de presque chaque grande galaxie se cache un trou noir. Lorsqu'il absorbe du gaz, il rejette de puissants flux — comme un dragon qui, incapable d'avaler toute sa proie, crache des flammes.

Dans le nuage sombre G318.049+00.086, où aucune étoile n'existe encore, la poussière et le gaz se sont alignés en quatre longs filaments. Ils convergent vers un nœud central dense, comme quatre rivières se jetant dans un lac. Le long de ces filaments, le gaz s'écoule vers le centre : la vitesse du flux atteint 10 à 20 kilomètres par seconde pour chaque parsec de longueur.

Une jeune étoile est entourée d'un disque plat en rotation composé de gaz et de poussière : c'est le chantier de construction des futures planètes.

Comme dans une pièce bondée où chaque nouvelle personne augmente fortement la pression sur les murs, dans une étoile à neutrons, l'augmentation de la densité entraîne une hausse de la résistance interne. Mais cette résistance a elle aussi un plafond absolu.

Une goutte d'eau tombe sur une feuille de lotus et rebondit sans laisser de trace. Ce miracle d'auto-nettoyage, la nature l'a perfectionné pendant des millions d'années, et les ingénieurs tentent depuis longtemps de le reproduire. Mais si la goutte frappe trop vite, elle se fragmente en éclaboussures, perdant de la masse et laissant des traces humides sur la surface.