processus de Penrose

Un trou noir aspire tout ce qui s'approche trop près. Mais si on y lance non pas un objet unique, mais une paire, l'un des deux peut ressortir en emportant une partie de l'énergie de rotation du trou. Cette astuce, imaginée par Roger Penrose en 1969, ne fonctionne que parce que le trou noir possède un horizon – une frontière au-delà de laquelle rien ne revient.

Un trou noir aspire tout ce qui s'approche trop près. Mais si on y lance non pas un objet unique, mais une paire, l'un des deux peut ressortir en emportant une partie de l'énergie de rotation du trou. Cette astuce, imaginée par Roger Penrose en 1969, ne fonctionne que parce que le trou noir possède un horizon – une frontière au-delà de laquelle rien ne revient.

Lorsqu'on gonfle un ballon trop rapidement, ses parois se mettent à vibrer. C'est à peu près ce qui se passait avec l'espace dans les tout premiers instants après le Big Bang : l'univers se gonflait à toute allure, et le tissu même de l'espace s'est mis à onduler.

Une toupie tourne si vite que l'air autour d'elle se met à tourner à l'unisson. C'est à peu près ce que fait un trou noir : s'il tourne, il peut transférer son énergie aux particules qui se trouvent à proximité. Ce processus est appelé superradiance — il ressemble à un écho dans les montagnes, sauf qu'au lieu du son, ce sont de nouvelles particules qui naissent.

Au cœur d'une galaxie, quelque part, tourne un trou noir. Il ne flotte pas dans le vide : autour de lui, un essaim invisible de particules de matière noire. Jusqu'à présent, cet essaim était décrit pour des trous immobiles, mais en réalité, les trous noirs tournent toujours.

Au cœur d'une galaxie, quelque part, tourne un trou noir. Il ne flotte pas dans le vide : autour de lui, un essaim invisible de particules de matière noire. Jusqu'à présent, cet essaim était décrit pour des trous immobiles, mais en réalité, les trous noirs tournent toujours.

Un tourbillon avale l'eau, mais en projette la majeure partie autour de lui. C'est à peu près ce que fait un trou noir lorsqu'il reçoit trop de matière.

Un trou noir n'est pas un aspirateur parfait. Il est entouré d'un essaim de particules et de champs, et cet essaim modifie son destin. Dans une nouvelle étude, des astrophysiciens ont examiné comment un champ vectoriel massif — une forme hypothétique de matière noire — se comporte près d'un trou noir en rotation.

Un tourbillon avale l'eau, mais en projette la majeure partie autour de lui. C'est à peu près ce que fait un trou noir lorsqu'il reçoit trop de matière.

De loin, la lumière contourne un trou noir comme un cycliste négocie un virage serré. Un peu plus près, elle commence à tourner en rond sur une sphère de photons invisible. Chaque trou noir possède une telle sphère, mais elle est généralement instable : la moindre perturbation et la lumière s'échappe ou tombe à l'intérieur.

Une usine capable de produire un million de pièces par heure n'en fabrique pourtant qu'une centaine. C'est à peu près ce que fait notre Univers, si on le regarde à travers le prisme de l'entropie — cette mesure du désordre qui, selon les lois de la physique, ne peut qu'augmenter. Les principales « machines » de cette usine sont les trous noirs supermassifs.

295 000 mètres par seconde. Même les particules des éjections coronales du Soleil ne filent pas si vite. Pourtant, au cœur de l'amas de galaxies H1821+643, le gaz chaud se déplace exactement à cette vitesse. Le quasar en son centre expire — et son souffle agite tout sur 60 000 années-lumière.

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.

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'eau se transforme en glace à zéro degré — brusquement, sans états intermédiaires. Quelque chose de similaire se produit avec la complexité lorsque l'on prend un état quantique aléatoire d'un système entier et que l'on ne regarde qu'une partie de celui-ci. Tant que cette partie occupe moins de la moitié du système, sa complexité croît régulièrement.

Au centre d'une galaxie lointaine, où tourne un trou noir supermassif d'une masse de cent millions de soleils, l'espace est parcouru de champs magnétiques.

L'agonie d'un trou noir solitaire dure une éternité. Mais dans les derniers instants, lorsque la masse s'évapore selon la loi découverte par Stephen Hawking, elle a le temps d'envoyer un signal d'adieu radio.

Longtemps, la cosmologie a été dominée par une conviction héritée de Stephen Hawking : à l'ère du rayonnement, les trous noirs primordiaux ne grandissent pas.

Le vide quantique n'est pas un vide absolu. C'est plutôt une membrane tendue qui oscille constamment à cause de particules invisibles qui naissent et disparaissent. Même dans l'obscurité totale, cette membrane tremble.

Imaginez une machine à vapeur où le piston en acier est remplacé par l'horizon des événements, et le cylindre par l'espace courbe lui-même. Cette métaphore a pris chair mathématique : des physiciens ont pour la première fois construit un ensemble complet de cycles thermiques réversibles avec un trou noir de Schwarzschild enfermé dans une cavité sphérique.

Un trou noir n'est pas qu'un simple aspirateur. Il émet une faible lueur en libérant des particules — une idée proposée par Jacob Bekenstein, qui a relié la température du trou à son degré de désordre. Détecter un tel rayonnement dans l'espace est incroyablement difficile.

Un rayon cosmique s'approche d'un trou noir presque tangentiellement. Il ne tombe pas immédiatement, mais reste sur une orbite instable, tel un acrobate en équilibre sur un fil au-dessus d'un gouffre. Après avoir effectué plusieurs tours, la lumière finit par s'échapper vers un observateur lointain.

Les observations de James Webb l'ont montré : dès 500 millions d'années après le Big Bang (à des décalages vers le rouge z~10), l'Univers brillait de trous noirs de plusieurs milliards de masses solaires.

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.

Un trou noir avec un champ magnétique évoque un tourbillon dans une rivière où l'eau ne s'engouffre pas dans le vortex mais tournoie sur place. Habituellement, la rotation du trou noir attrape les ondes et les amplifie — on appelle cela la superradiance. Mais si on ajoute un champ magnétique, tout change.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent des trous noirs géants en rotation. Les astrophysiciens soupçonnaient depuis longtemps que ces objets sont étonnamment résistants : après avoir avalé une étoile ou fusionné avec un autre trou noir, ils se calment rapidement et oublient la catastrophe.

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 d'une galaxie, un énorme trou noir est enveloppé d'un nuage invisible — un essaim de particules ultra-légères qu'il a lui-même engendré. Dans ce nuage plonge un autre trou noir, de la taille d'une étoile, et commence une longue danse en spirale.

La gravité ordinaire ressemble à un élastique souple. Une étoile massive, en mourant, le déforme si fort qu'elle forme un trou noir — un piège d'où rien ne sort, pas même la lumière. Le physicien Roger Penrose a suggéré que la nature cache toujours le cœur derrière une telle « censure cosmique ».

Les trous noirs savent émettre de la chaleur. Ils ont une température, une entropie (une mesure du désordre) et d'autres caractéristiques thermodynamiques.

Un trou noir en rotation rapide, où l'espace-temps est courbé à l'extrême, ressemble à une cloche qui peut sonner pendant des siècles. Ses oscillations particulières s'atténuent à peine, perdant leur énergie incroyablement lentement.

Deux trous noirs tournent dans une danse lente, se rapprochant progressivement. Leur mouvement perturbe l'espace-temps lui-même, comme si deux boules lourdes roulaient sur un drap tendu, le faisant vibrer. Ces vibrations, nous les appelons ondes gravitationnelles.

Un trou noir n'est pas un aspirateur éternel. Il s'évapore lentement, émettant de l'énergie, et avec elle, selon les physiciens, il devrait restituer l'information avalée. Mais quand cela commence-t-il exactement ? La réponse est donnée par la courbe de Page, un graphique qui montre combien d'information le trou a déjà libérée et combien il en retient encore.

Un trou noir supermassif dérive dans un nuage de matière noire. Dans le scénario habituel, cette substance invisible ajoute simplement de la masse et n'interagit presque pas avec la matière ordinaire. Mais les particules de matière noire pourraient posséder une rotation propre — un spin.

Un trou noir n'est pas simplement une tache sombre dans l'espace. C'est une région où la gravité comprime la matière si fort que même la lumière ne peut s'en échapper. Parmi tous les trous noirs possibles, l'un se distingue : le trou noir en rotation de Kerr.

Un trou noir ressemble à une toupie : plus il tourne vite, plus son comportement est marqué. Il possède deux frontières — l'horizon externe et l'horizon interne, des limites au-delà desquelles même la lumière ne revient pas.

Une toupie qui tourne si vite qu'elle fait vriller la lumière autour d'elle en spirales : voilà une image parlante de ce qui se passe à l'horizon d'un trou noir. Le plasma incandescent y tombe en émettant des ondes radio. Leur polarisation (c'est-à-dire le plan dans lequel oscille l'onde) devient une flèche qui indique la direction du flux d'énergie.

Les ondes gravitationnelles émises par un minuscule corps tombant vers un trou noir agissent comme une radiographie. Mais au lieu de traverser un os, elles sondent l'espace-temps courbe lui-même.

Les ondes gravitationnelles — ce frémissement du cosmos provoqué par de lointains cataclysmes — sont si faibles que les capter revient à entendre un murmure dans un ouragan. Mais un trou noir peut les amplifier considérablement.

Il y a près de 12 milliards d'années, alors que l'Univers vivait son intense « midi cosmique » — une époque de formation stellaire record —, un quasar nommé WISSH13 s'embrasait au cœur d'une galaxie.