harmoniques

Un caillou tombe dans une mare et des cercles se propagent à la surface. Après une collision avec un autre trou noir, un trou noir fait quelque chose de similaire : il émet des ondes gravitationnelles qui rappellent le tintement d'une cloche qui s'éteint.

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.

Lorsque deux boules lourdes fusionnent en une seule, des cercles se propagent longtemps à la surface de l'eau. Un trou noir se comporte à peu près de la même manière : après une fusion, il « sonne » encore pendant un certain temps, émettant des oscillations gravitationnelles particulières — les modes quasi-normaux.

Les cosmologistes sont confrontés à une situation amusante : deux outils fiables dessinent des cartes légèrement différentes du même Univers. L'un est la carte de la lumière ancienne (le rayonnement fossile), l'autre est la carte de la distribution des galaxies. Dans l'ensemble, ils concordent, mais dans le détail, ils divergent.

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.

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).

Une pierre tombe dans une eau calme, et des cercles se propagent à la surface. Un trou noir se comporte de manière similaire lorsqu'un objet tombe en lui ou lorsqu'il fusionne avec un autre. Le trou noir se met à osciller, et ces oscillations s'échappent dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles.

Dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, l'Univers était le théâtre de changements rapides. Une membrane en caoutchouc tendue qui refroidit rapidement se couvre de microfissures. Un processus similaire à l'échelle cosmique aurait pu engendrer des cordes cosmiques : des filaments d'énergie extrêmement fins mais superdenses, s'étendant à travers tout l'Univers.

Un cylindre d'aluminium massif d'une tonne est suspendu dans le vide. Une onde gravitationnelle — une ondulation de l'espace-temps — le traverse, et le bloc se met à vibrer imperceptiblement.

La spirale que forme l'eau qui s'engouffre dans un évier tourne de plus en plus vite à mesure qu'elle approche du centre. Dans un trou noir ordinaire, cet entonnoir se termine en une pointe infiniment aiguë — la singularité, où les lois de la physique s'effondrent.

Le cosmos est plein d'ondes invisibles — des ondulations de l'espace laissées par des catastrophes comme la collision de trous noirs. Un trou noir ordinaire absorbe tout sans laisser de trace.

En 1956, deux radiotélescopes de Jodrell Bank braqués sur Sirius, non pour en capturer l'image, mais le tremblement de son intensité.

L'Univers résonne, mais notre oreille ne perçoit que les graves. LIGO entend le grondement des fusions de trous noirs — c'est l'infrason du cosmos. Plus haut, dans les gigahertz, tintent les flûtes et les violons de la gravitation primordiale.

Dans l'océan du cosmos, chaque tempête de naissance ou de fusion de trous noirs supermassifs engendre une ondulation — des ondes gravitationnelles qui se propagent à la vitesse de la lumière. Pendant des milliards d'années, ces ondes se superposent et se fondent en un grondement basse fréquence, tel un ressac lointain.

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

Le mystère de la matière noire hante les physiciens depuis près d'un siècle. Parmi les candidats à ce rôle figurent les trous noirs primordiaux (TNP), nés dans les bras brûlants du premier instant après le Big Bang.

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

Imaginez une rivière sur un rapide : le courant accélère au point qu'aucune vague ne peut plus remonter le flot. De même, le gaz près d'un trou noir : ayant atteint la vitesse du son, il s'enferme lui-même — naît un trou noir acoustique, double de l'abîme gravitationnel. Ici, l'horizon des événements est tissé d'un flux plus rapide que son propre son.

Un trou noir, telle une fileuse, enroule autour de lui un nuage de particules légères — les axions. Ces particules sont les principaux candidats pour la matière noire. Le nuage obéit aux lois de la mécanique quantique, rappelant un atome géant : il y a des niveaux, des transitions entre eux.

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

Au centre de l'attention, un trou noir, mais pas ordinaire. Il porte un monopôle magnétique et est entouré d'un dilaton – un champ qui brouille les frontières habituelles de l'espace. Les auteurs ont testé la résistance de ce système aux chocs thermiques.

Un trou noir sonne comme une cloche lorsqu'un objet massif y tombe. Cette sonnerie, ce sont les ondes gravitationnelles, et ses harmoniques révèlent la forme de l'horizon.

Jetez un caillou dans un étang — des cercles se propageront à la surface. De la même manière, un corps massif en orbite autour d'un trou noir perturbe le tissu de l'espace-temps, engendrant des ondes gravitationnelles.

Dans l'image habituelle, un trou noir est un gouffre sans visage dans la courbure de l'espace-temps. Mais si une coquille de matière vibre autour de lui, l'intervalle entre le bord de l'abîme et cette coquille se transforme en cavité résonnante.

Après la fusion, le trou noir nouveau-né émet une vibration qui s'estompe — des ondes gravitationnelles semblables au son d'une cloche. Grâce aux harmoniques de ce signal, la spectroscopie permet d'en déterminer la masse et la vitesse de rotation.

D'ordinaire, les trous noirs se rapprochent progressivement, tournoyant dans une spirale qui se resserre. Cette danse engendre une longue ondulation d'ondes gravitationnelles — un frémissement dans la trame de l'espace-temps elle-même.

Deux trous noirs se percutent de plein fouet à grande vitesse, tandis qu'un troisième tourne à proximité. Dans la vie courante, un tel accident produirait une onde de choc d'ondes gravitationnelles (des ondulations de l'espace, comme celles d'un caillou jeté dans un étang).

L'énigme de la matière noire, repérée pour la première fois dans les tourbillons stellaires par Vera Rubin, taraude la physique depuis près d'un siècle. L'une des hypothèses les plus audacieuses est celle des trous noirs primordiaux, nés dans le bouillon brûlant de l'univers primordial.

Nous connaissons les étoiles à neutrons grâce aux travaux de Fritz Zwicky, Subrahmanyan Chandrasekhar et Jocelyn Bell Burnell. Ce sont d'anciens noyaux comprimés à la taille d'une ville : une cuillère à café de leur matière pèse autant que l'Everest.

Jetez un caillou dans un puits, et le son vous renseignera sur sa profondeur. C'est à peu près ainsi que les astrophysiciens écoutent les trous noirs : après une fusion ou une autre perturbation, le trou noir vibre en émettant des ondes gravitationnelles.

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.

Une pierre tombe dans un puits – et une seconde plus tard, on entend un plouf. Une étoile tombe dans un trou noir – et disparaît derrière l'horizon, ne laissant qu'un frémissement de l'espace. Mais que se passerait-il si le fond du puits n'était pas une impasse, mais un passage ?

La collision de trous noirs n'est pas seulement une explosion d'ondes gravitationnelles, mais aussi une longue traînée : la courbure de l'espace-temps qui reste à jamais, c'est la mémoire gravitationnelle.

Deux boules lourdes tournent à la surface d'un étang. Des cercles s'en échappent — ce sont les ondes gravitationnelles. Lorsque les boules se rapprochent, les ondes emportent de l'énergie, et les cercles deviennent plus fréquents.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, le trou résultant « sonne » pendant un certain temps, émettant des ondes gravitationnelles — telle une cloche qui résonne avant de s'éteindre. Cette sonnerie est captée par des détecteurs géants conçus par Rainer Weiss et Kip Thorne.

Une balançoire se met à osciller de plus en plus fort si on la pousse en rythme. Un mécanisme similaire se déclenche lorsqu'une étoile morte tourne autour d'un trou noir massif enveloppé d'un nuage de particules ultra-légères. Ces particules sont des candidates pour la matière noire (la substance invisible qui empêche les galaxies de se disloquer).

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles captent un bourdonnement de basse fréquence, semblable au bruit lointain d'une cascade. Le télescope Webb découvre dans l'Univers primordial des galaxies avec des trous noirs qui semblent trop massifs pour leur jeune âge.

Un immense orchestre s'accorde avant le concert. Chaque instrument émet son propre bruit, et dans le bourdonnement général, il est difficile de distinguer les sons individuels. Mais si le chef d'orchestre, pendant une seconde, fait un geste particulier de sa baguette, tous les violons jouent simultanément une note aiguë — et ce son pur transperce la cacophonie.

Un trou noir, perturbé par une fusion, vibre à ses fréquences uniques, comme une cloche. Chaque trou a sa propre « voix », grâce à laquelle les astronomes déterminent ses caractéristiques. Dans une nouvelle étude, des scientifiques ont examiné comment cette sonorité est affectée par l'énergie noire et d'hypothétiques nuages de cordes microscopiques.

Deux trous noirs s'enroulent l'un autour de l'autre non pas dans une ronde gracieuse, mais comme deux pierres jetées de rives opposées dans un gouffre profond. Leur orbite ressemble à un ovale très aplati — l'excentricité est proche de l'unité.