structure du halo de la Voie lactée

Un million d'orbites, c'est la même partition. Neuf halos de matière noire, neuf orchestres sans chef. Tous les musiciens jouent les mêmes notes, mais dans chaque salle, la musique sonne différemment : parfois harmonieuse, parfois désynchronisée.

Le manège tourne : plus on s'assoit loin du centre, plus on est emporté vite. Pour les galaxies, on a longtemps pensé la même chose — les étoiles des confins devraient tourner plus lentement que celles proches du centre. Mais dès les années 1970, on a découvert que dans de nombreuses galaxies spirales, la vitesse des étoiles ne chute presque pas avec la distance au centre.

Une piste de danse où tournoient des couples. Au centre, un maître de cérémonie invisible qui donne le rythme. C'est le trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée, et les couples sont les étoiles dont les astronomes suivent les orbites depuis des années. Mais que se passerait-il si le maître de cérémonie était enveloppé dans un manteau de fourrure fait de matière diffuse ?

Un immense stade rempli de personnes vêtues de noir. Vous êtes à l'extérieur et tentez de deviner ce qui se passe à l'intérieur, sans voir personne. Mais si deux personnes se heurtent et échangent des maillots fluorescents, vous remarquerez un éclair de couleur.

Le radiotélescope FAST, avec son antenne de cinq cents mètres, a capté un signal sur une longueur d'onde de 21 centimètres – c'est ainsi que l'hydrogène froid émet. Le signal provenait d'un nuage baptisé Cloud-9. Il flotte dans l'espace à côté de la galaxie M94, mais ne renferme pas une seule étoile.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une « soupe » brûlante de particules. En refroidissant, il a subi des transitions de phase — comme l'eau qui se transforme en glace.

Un amas globulaire — un essaim dense de centaines de milliers d'étoiles — traverse une galaxie comme une balle dans l'eau. Dans la matière noire ordinaire (cette masse invisible qui maintient les galaxies), il devrait perdre rapidement de la vitesse à cause du frottement dynamique.

Au centre d'une galaxie se trouve un trou noir supermassif, entouré d'un vaste nuage ténu de matière noire. Il n'émet pas de lumière, ne chauffe pas, mais par sa gravité il courbe l'espace et change les règles du jeu pour tout ce qui gravite à proximité.

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 centre de nombreuses galaxies se cache un trou noir, enveloppé dans un nuage invisible — le halo de matière noire. Ce n'est pas une masse sans visage : sa densité varie du bord au centre, et ce degré de « compression » s'appelle la compacité.

Pendant des décennies, les astrophysiciens ont construit un tableau cohérent : la galaxie, telle un manège géant, tourne en un rythme unique, et le trou noir supermassif en son centre hérite de cette danse.

Les galaxies naines qui orbitent autour de la Voie lactée semblent avoir survécu à une tempête gravitationnelle. Leurs corps stellaires sont étirés, dispersés en queues de marée et échauffés de l'intérieur.

La matière noire — la fondation invisible de l'architecture cosmique — représente 85% de toute la masse, mais échappe à toute observation directe.

Au centre de la Voie lactée, là où règne sans partage le trou noir supermassif Sagittaire A* (dont la métrique fut obtenue pour la première fois par Karl Schwarzschild), l'étoile S4714 effectue un voyage vertigineux.

Au centre de l'attention se trouvent de minuscules cités stellaires : les galaxies naines ultra-faibles. Elles ressemblent à des essaims de lucioles dispersés qui tournoient dans un vaste nuage invisible. Ce nuage est un halo de matière noire ultra-légère. Ses particules sont si légères qu'elles se comportent non pas comme des boules de billard, mais comme des ondes.

Au centre d'une galaxie, la gravité condense la matière noire en une « épine » dense. Une telle épine de matière noire ressemble à un entonnoir de particules invisibles autour d'un corps massif. Mais si le centre et les particules sont des trous noirs primordiaux, le tableau se brise.

Le paradoxe des trous noirs a tourmenté les physiciens pendant des décennies. Si un trou noir disparaît, où va son contenu ? Les découvertes de Stephen Hawking et Jacob Bekenstein ont montré que pour sauver les lois de la nature, il faut une solution audacieuse.

Un trou noir n'est pas simplement une tache sombre dans le ciel. Son ombre se projette sur le fond lumineux de la matière qui tombe et porte l'empreinte de la géométrie même de l'espace. Si la gravité est organisée ne serait-ce qu'un peu différemment de ce que nous avons l'habitude de penser, l'ombre le révélera.

À 460 années-lumière de nous, autour de l'étoile HD 135344B, orbite un disque dense de gaz et de poussière. Il ressemble à un disque vinyle géant que quelqu'un aurait fêlé : une cavité béante s'ouvre dans le disque, et à travers elle, tel un pont fragile, s'étire un filament de poussière.

Le halo stellaire de la Voie lactée est un palimpseste galactique : un manuscrit ancien où, sous le texte visible, se cachent des couches plus anciennes. On a longtemps pensé que la structure Gaïa-Saucisse/Encelade (GSE) était la dernière inscription de ce manuscrit, la trace d'une seule fusion cataclysmique.

La gravité d'un trou noir crée une courbure de l'espace-temps, agissant comme une lentille : la lumière d'une galaxie lointaine se dédouble et s'étire en arcs.

Une ampoule ordinaire chauffe et brille plus fort – tout le monde le sait. Mais un trou noir de la taille d'un noyau atomique obéit à d'autres lois.

Au cœur de notre cité d'étoiles — la galaxie — se cache un trou noir supermassif, Sagittaire A*. Autour de lui, l'étoile S2 exécute une danse effrénée. Mais ses mouvements trahissent plus que l'attraction du trou : un partenaire invisible participe à la valse — la matière noire.

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.

Un projecteur éclaire une salle obscure. Entre la lampe et le mur, une lentille invisible passe — et la tache de lumière devient un instant plus brillante, se déplace légèrement.

Un tourbillon dans une rivière aspire tout ce qui l'entoure. Si l'on ajoute à l'eau un gel invisible qui s'épaissit près du tourbillon et disparaît brusquement à son bord, on obtient une idée approximative de ce qu'est un trou noir dans ce nouveau modèle mathématique.

Une galaxie, c'est un peu une autoroute cosmique où les étoiles, telles des voitures, filent en rond. Leur vitesse dépend de la « charge » invisible à l'intérieur de leur orbite : plus il y a de masse, plus les véhicules extérieurs vont vite.

Le bras d'une rivière d'étoiles contourne le centre d'une galaxie lointaine, telle une bande lumineuse sur une monture invisible. Cette monture, c'est le halo sombre : un immense nuage de matière noire invisible qui, par son attraction, retient les étoiles et le gaz.

Autour de notre Galaxie, telle une couronne invisible, s'étend un nuage de gaz ténu, chauffé à des millions de degrés. On l'appelle le halo galactique. Voir cette lueur directement est difficile : elle émet des rayons X mous, absorbés par l'atmosphère terrestre.

Une ville lointaine vue à travers une vitre embuée : les lumières vives se brouillent, les détails se perdent. C'est à peu près ainsi que les astronomes voient le gaz contenant des ions magnésium (magnésium) dans notre Galaxie — les raies spectrales les plus fortes « saturent », empêchant de comprendre la quantité réelle de matière.

Le halo de notre Galaxie est un immense nuage diffus d'étoiles anciennes qui enveloppe le disque que nous connaissons. Il conserve la mémoire de la croissance de la Voie lactée, qui a absorbé des galaxies naines voisines.

À la périphérie de la Voie lactée, il existe des étoiles qui se déplacent à contre-courant du flux général, comme des voitures roulant sur la voie opposée. On pensait auparavant qu'elles étaient toutes les restes d'une seule galaxie naine que notre Galaxie avait déchirée et absorbée. Mais une nouvelle étude montre que ces galaxies « à contre-courant » étaient plusieurs.

À la périphérie de notre Galaxie, bien au-delà du disque d'étoiles familier, le télescope Subaru a aperçu quelque chose d'inattendu : un nuage d'étoiles dispersé, s'étendant sur une surface de cent degrés carrés dans le ciel.

Une corde de guitare ne produit que certaines notes lorsqu'on la pince sur les frettes. De même, le disque de gaz et de poussière autour d'une jeune étoile est parcouru d'ondes stationnaires, mais seules certaines vibrations survivent.

Les étoiles aux confins des galaxies tournent étonnamment vite. Selon Newton, plus on s'éloigne du centre, plus le mouvement devrait être lent — comme dans une ronde où les danseurs extérieurs avancent plus doucement.

Les autres galaxies ne sont que d'anciennes photographies, mais nous observons la Voie lactée en direct.

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.

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.

Une galaxie ressemble à un manège géant : les étoiles et le gaz tournent autour du centre, et la vitesse de leur mouvement révèle la quantité totale de matière dans ce manège. Si nous ne voyions que la matière lumineuse, les parties externes tourneraient plus lentement que ne le montrent les observations.

À 65 millions d'années-lumière de la Terre, dans la constellation de la Baleine, se nichent trois galaxies naines : DF2, DF4 et DF9. Toutes trois sont déclarées « galaxies sans matière noire » — cette substance invisible et mystérieuse qui, d'ordinaire, maintient les étoiles ensemble.