rapport de masse

En 2015, les détecteurs LIGO ont pour la première fois capté les vibrations de l'espace provoquées par la fusion de deux trous noirs.

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.

Un trou noir ressemble à une toupie qui ne s'arrête jamais d'elle-même. Mais si un nuage de particules ultralégères — des bosons — apparaît autour de lui, la donne change. Ce « brouillard » se met à agir comme un frein invisible : les particules extraient la rotation du trou, le forçant à ralentir.

Une naine blanche est l'ancien noyau d'une étoile comme le Soleil, comprimé à la taille de la Terre. Une cuillère à café de sa matière pèserait plusieurs tonnes. Une étoile à neutrons est un résidu encore plus dense : une ville de la taille de Manhattan, mais avec une masse supérieure à celle du Soleil.

Un trou noir en rotation n'est pas un paisible tourbillon. L'espace autour de lui tremble et résonne au moindre remous, comme une corde de guitare après un pincement. Ces oscillations sont décrites par l'équation de Teukolsky, une construction mathématique complexe que les physiciens étudient depuis un demi-siècle.

Deux trous noirs tournent dans une danse cosmique, se rapprochant en spirale. Au final, ils fusionnent en un seul — et cet instant produit une puissante onde gravitationnelle, une ondulation de l'espace-temps lui-même. Et que reste-t-il après la fusion ?

La collision de galaxies ressemble à une danse lente où deux partenaires se rapprochent progressivement. Au centre de chacune se cache un trou noir supermassif — un volant d'inertie invisible pesant des millions ou des milliards de soleils.

Dans la galaxie NGC 1052 DF2, les étoiles se déplacent à seulement 8 kilomètres par seconde — comme si aucune masse invisible n'était présente. Pour comparaison, dans notre Voie lactée, les étoiles périphériques atteignent 200 kilomètres par seconde, retenues par un halo massif de matière noire.

Couche après couche, artefact après artefact — l'archéologue reconstitue l'histoire d'un ancien village. Ainsi, les astrophysiciens, en analysant les 259 enregistrements de LIGO–Virgo–KAGRA, ont vu une structure stratifiée claire parmi les trous noirs en fusion.

Le vent le plus rapide de l'Univers file à 0,58 fois la vitesse de la lumière. Il parcourt la distance Terre-Lune en deux secondes. Ce vent n'est pas un jet, mais un large flux de gaz jaillissant du centre de la galaxie.

Le 23 novembre 2023, les détecteurs LIGO ont capté quelque chose d'étrange. Le signal d'ondes gravitationnelles d'une fusion de deux trous noirs, numéroté GW231123, indiquait des masses records – 137 et 101 masses solaires – et une rotation anormalement rapide.

Trois millisecondes avant la fusion. Un immense trou noir en rotation frénétique attire une étoile à neutrons — une boule de la taille d'une ville mais d'une masse équivalente à une fois et demie celle du Soleil. Les forces de marée étirent l'étoile en un filament aussi fin qu'une aiguille et dispersent la matière.

Dans un même système stellaire, deux équipes de planètes gravitent. Les unes suivent des orbites régulières, comme des patineurs sur une patinoire, évitant les collisions. Les autres se regroupent, leurs trajectoires se croisent, et tôt ou tard, un accident cosmique se produit — un impact géant.

En août 2019, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux objets compacts au sein d'une étoile binaire. L'un d'eux pesait 23 masses solaires — un trou noir ordinaire. Le second, 2.5–2.67 M⊙.

En 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré le frémissement de l'espace-temps dû à la collision de deux fusion d'étoiles à neutrons — l'événement GW170817.

En mai 2020, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré le sursaut gravitationnel GW200105. Parmi la multitude d'ondes gravitationnelles similaires, celui-ci se distinguait par une étrangeté : l'orbite de l'étoile à neutrons et du trou noir en collision n'était pas un cercle parfait, mais une…

Deux sphères hyperdenses, chacune de la taille d'une ville, tournent en une danse. Leur masse est inférieure à celle du Soleil, mais à l'intérieur, la matière est comprimée à des limites inimaginables. L'une est une étoile à neutrons, l'autre une étoile étrange, entièrement composée de quarks (les particules élémentaires qui constituent les protons et les neutrons).

L'Univers réécrit son histoire sans cesse. Là où l'astronomie classique ne voit qu'un point — un trou noir — les ondes gravitationnelles dévoilent les fines couches du passé, comme sur un ancien palimpseste.

Au cœur d'un amas stellaire dense règne une véritable forge : ici, les étoiles, telles des pièces incandescentes, se heurtent et fusionnent sous l'effet de la gravité, et ces fusions ne sont pas une catastrophe mais une opportunité. Chaque coup de marteau stellaire transmet une rotation au futur trou noir.

Traditionnellement, un trou noir est décrit par trois paramètres : masse, charge et moment angulaire.

Les fusions de trous noirs, prédites par Karl Schwarzschild, sont la principale source d'ondes gravitationnelles captées par les détecteurs LIGO.

L'espace place lui-même des lentilles sur le chemin des ondes gravitationnelles. Lorsque deux trous noirs fusionnent, l'ondulation engendrée traverse l'Univers.

Au centre de la galaxie M87, à 55 millions d'années-lumière de nous, se cache un trou noir d'une masse équivalente à 6,5 milliards de Soleils. En 2019, le télescope Event Horizon Telescope (EHT) en a montré pour la première fois le portrait : un beignet orange avec un cœur sombre.

Un manège : une structure légère est plus facile à faire tourner, une massive l'est moins. C'est à peu près ce qui se passe pour les étoiles à neutrons, ces vestiges ultra-denses d'étoiles explosées. Des astronomes ont examiné une cinquantaine de systèmes binaires où une étoile à neutrons orbite autour d'une autre, et ils ont remarqué : plus l'étoile est massive, plus sa période de rotation est longue.

Une patineuse tourne sur la glace, quittant progressivement son orbite. C'est ainsi qu'une petite étoile ou un trou noir, en orbite autour d'un trou noir massif, perd de l'énergie. Il émet des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace-temps que les détecteurs sur Terre capturent.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont enregistré une impulsion étrange : le signal GW241011. Deux trous noirs ont fusionné, mais la paire semblait inhabituelle : l'un des trous était environ trois fois plus léger que l'autre, et l'ensemble du système tournait rapidement.

Dans la nuit infinie du cosmos, les galaxies se rapprochent dans une lente danse gravitationnelle pour ne faire qu'une. Ces collisions ne sont pas des chocs frontaux, mais plutôt le mouvement lent des doigts dans l'eau, laissant derrière eux des tourbillons et des traînées.

Les vagues trient les galets sur une plage de sable. Les petits cailloux sont serrés les uns contre les autres, presque identiques en taille. Un peu plus loin du rivage, on trouve un mélange de plus gros et de plus variés. Et au bord de l'eau, là où les vagues sont les plus fortes, s'accumulent les plus gros blocs, bien arrondis.

Deux sphères massives de vide sombre foncent l'une vers l'autre et se heurtent de plein fouet. Ce n'est pas un billard — c'est la collision de deux trous noirs de masse égale. L'impact fait vibrer l'espace lui-même : ce sont les ondes gravitationnelles.

Deux pierres tombent dans un étang. Chacune crée des ondulations, mais quand elles se heurtent, il y a une éclaboussure et un choc bref et sonore. C'est à peu près ainsi que sonne la fusion de deux étoiles à neutrons — ces résidus ultra-denses d'étoiles explosées.

Les détecteurs captent les « ondulations » des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs ou d'étoiles à neutrons — comme un écho de la cuisine où se prépare un plat cosmique.

La lumière qui passe près d'un trou noir se tord, comme l'eau qui tourbillonne autour du drain d'une baignoire. Le plus intéressant, c'est l'anneau fin où les rayons peuvent tourner indéfiniment, sans tomber à l'intérieur ni s'échapper. C'est la sphère de photons — une frontière invisible qui dessine l'ombre du trou dans le ciel.

Jetez une pierre dans un étang, et des cercles se forment. Quelque chose de semblable se produit à l'intérieur d'amas compacts de matière noire lorsqu'ils se trouvent dans un environnement particulier : un champ scalaire.

Les paires de trous noirs dansent de trois façons différentes avant de fusionner. La première est une valse élégante : les objets tournent dans le même sens, comme des partenaires qui se regardent. Ces paires naissent d'étoiles binaires et ont souvent des masses inégales.

En 2017, les détecteurs ont capté un frémissement de l'espace — les ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les télescopes ont aussitôt repéré un éclair de lumière : une explosion cosmique que les astronomes ont baptisée kilonova.

Deux patineurs tournent sur la glace. L'un, léger et prudent, tourne à peine. L'autre, massif et rapide, tourne à toute allure, et même dans des directions différentes. C'est à peu près le tableau que dressent les ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de trous noirs.

Dans l'espace, on rencontre souvent des paires de trous noirs en fusion où l'un est nettement plus massif que l'autre. Cette différence de poids n'est pas qu'un simple chiffre : c'est une clé pour comprendre leur histoire commune.

Dans la famille des résidus ultra-denses d'étoiles mortes, un vide a longtemps béé. Les étoiles à neutrons — des toupies fulgurantes de la taille d'une ville — dépassent rarement deux masses solaires. Les trous noirs commencent aux alentours de cinq masses solaires. Entre les deux, un « gouffre » où l'on n'a trouvé aucun objet pendant des décennies.

L'horizon d'un trou noir est souvent représenté comme une membrane unidirectionnelle : tout tombe à l'intérieur, rien n'en sort. Mais et si ce n'était pas une frontière vide, mais un nuage de minuscules « morceaux » de l'espace-temps lui-même ?

Deux trous noirs se précipitent l'un vers l'autre et se heurtent de front. Dans l'image habituelle, leurs horizons (les surfaces d'où même la lumière ne sort pas) s'étirent l'un vers l'autre comme des gouttes d'eau et fusionnent en une figure lisse. Mais les calculs montrent autre chose : avant la fusion, un bec pointu — une cuspide — s'allonge sur chaque horizon.