rétroaction des quasars

Un petit monstre se cache dans une galaxie naine, et c'est son voisin qui le nourrit. La galaxie satellite fusionne lentement avec une voisine massive, et le gaz des régions externes tombe vers le centre, où se trouve un trou noir.

Au centre d'une galaxie naine ultra-compacte (un système stellaire très dense de quelques dizaines d'années-lumière) fonctionne un aspirateur. Sauf qu'au lieu de la poussière, il aspire le gaz que rejettent les étoiles mourantes.

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.

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.

Un trou noir n'est pas simplement un aspirateur cosmique. S'il tourne, il peut amplifier les ondes autour de lui, comme un écho de montagne répète un son. Pour la matière noire ultra-légère (des particules des milliards de fois plus légères que l'électron), cet effet, appelé superradiance, peut créer un nuage immense.

Un trou noir n'est pas qu'un simple abîme. C'est une chaudière incandescente dont la température augmente à mesure qu'il s'évapore. Les auteurs de l'étude ont découvert que lorsque la chaleur atteint un seuil critique, le trou noir semble entrer en ébullition.

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.

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.

Huit cents millions d'années après le Big Bang — et au cœur d'une jeune galaxie bat déjà un moteur monstrueux. Un trou noir d'une masse de dix milliards de soleils dévore la matière si avidement que son rayonnement devrait éclipser tout alentour. Mais dehors, silence.

Un essaim de particules invisibles minuscules — tel un nuage de pollen — dérive dans l'espace. Sur son chemin se trouve un trou noir. Certaines particules tombent dedans et disparaissent à jamais, d'autres contournent le piège et s'envolent. Les physiciens ont construit une carte qui montre exactement combien de matière sera avalée et combien survivra.

L'horizon des événements n'est jamais calme. Le vide quantique y bouillonne, et de cette écume jaillissent parfois des particules — c'est ainsi que Stephen Hawking a découvert en 1974 le rayonnement des trous noirs, liant à jamais la gravité à la théorie quantique.

La mort d'une étoile massive n'est pas seulement l'éclat d'une supernova, mais aussi la naissance d'un trou noir.

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.

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.

Une histoire de détective s'est déroulée dans le catalogue GWTC-5. Des centaines de signaux de trous noirs en fusion, captés par les détecteurs de Rainer Weiss et de ses collègues, recelaient le secret de l'origine des objets les plus massifs et les plus rapides à l'échelle stellaire.

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.

Au centre de galaxies lointaines, des « balises » à rayons X s'allument parfois. Elles ne clignotent pas au hasard, mais suivant un calendrier strict — toutes les quelques heures ou quelques jours. Ces sursauts sont appelés éruptions quasi périodiques (répétées à intervalles presque réguliers).

Une minuscule étoile tourne autour d'un trou noir géant en rotation. Peu à peu, elle s'en rapproche en spirale, et cette danse dure des milliers d'années. Pendant tout ce temps, des ondes se propagent dans l'espace — comme des ronds dans l'eau, mais ce sont des ondes gravitationnelles. On peut les « entendre » avec des détecteurs spéciaux.

Un trou noir classique possède une température et d'autres propriétés thermodynamiques. Lorsque les physiciens ont commencé à prendre en compte la variation de la constante cosmologique — l'énergie du vide —, un étrange couplage est apparu dans les équations.

Le cœur de nombreuses galaxies abrite un trou noir supermassif. Il ne reste pas simplement assis au centre : il s'embrase parfois violemment en avalant le gaz environnant.

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.

Au centre d'une galaxie lointaine, un trou noir supermassif est entouré d'un disque plat en rotation composé de gaz et de poussière — un gigantesque entonnoir de matière cosmique. Dans ce disque peut se trouver un petit objet compact, par exemple un autre trou noir de masse stellaire.

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.

Une goutte d'hélium froid frôle dangereusement un trou noir. Ce n'est pas une simple goutte : c'est une étoile morte de la taille de la Terre, mais dont la masse est comparable à celle du Soleil.

Un trou noir n'est pas un aspirateur éternel. Laissé dans le vide, il disparaît lentement, émettant de l'énergie comme une flaque d'eau qui sèche sur le bitume. Ce processus, prédit par Stephen Hawking, est appelé évaporation. Plus le trou est petit, plus il fond rapidement, et plus son « souffle » est chaud.

Un trou noir ressemble à une marmite qui s'évapore lentement. Sa surface émet des particules, un processus appelé rayonnement de Hawking. Plus la marmite est chaude, plus elle se vide vite. Mais que se passe-t-il si la marmite n'est pas ordinaire, mais à double fond – capable de se transformer en passage vers un autre endroit ?

Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies sont comme d'immenses banians : leurs racines aériennes, des filaments, s'étendent sur des kiloparsecs pour puiser la matière nutritive.

Si l'on comprime une poignée de sable, elle devient plus dense, mais à un moment donné, les grains de sable se bloquent mutuellement — impossible de compresser davantage. Selon certains théoriciens, l'espace se comporte à peu près de la même manière à des distances extrêmement petites : il possède une limite de divisibilité, une sorte de « grain ».

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.

Un trou noir géant a déchiqueté une étoile, laissant derrière lui un disque de gaz brûlant de travers — comme un vinyle gondolé par la chaleur. Désormais, un minuscule trou noir (ou une étoile) tourne autour et transperce régulièrement ce disque. Chaque perforation produit une éruption brillante de rayons X.

Dans l'Univers primordial, des trous noirs primordiaux sont apparus — des objets pas plus gros qu'un atome, mais avec la masse d'une montagne. Ils s'évaporent progressivement et, juste avant de disparaître, devraient générer des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace-temps.

Un minuscule trou noir de la taille d'un noyau atomique mais avec la masse d'une montagne est né dans les premiers instants après le Big Bang, lorsque des amas aléatoires d'énergie se sont effondrés en de tels objets.

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.

Dans le chaudron bouillant du Big Bang primordial, le vide, telle une [liquide surfondu], pouvait entrer en ébullition par bulles d'une nouvelle phase. Longtemps, les physiciens ont placé leurs espoirs dans ces bulles comme source de trous noirs primordiaux (TNP) — des candidats idéaux pour la matière noire.

Le cosmos est plein de mimétisme. Le papillon de verre porte le masque de la guêpe, la mouche inoffensive bourdonne comme une abeille. Et dans le monde de la gravité, le rôle de l'imposteur pourrait être joué par les condensats de Bose-Einstein — d'immenses amas de champ scalaire, indiscernables des trous noirs.

Une étoile mourante n'est pas qu'un simple déclin. Dans ses derniers instants, le noyau, privé de carburant, s'effondre sur lui-même à une vitesse vertigineuse. La gravité classique ne laisse aucun choix : si la masse est suffisamment grande, un trou noir naît — une région d'où même la lumière ne peut s'échapper.

Les ondes gravitationnelles ont mis au jour un abîme : les trous noirs dont la masse se situe entre 60 et 120 soleils ne naissent presque jamais. Ce gouffre est creusé par les supernovae à instabilité de paire — des explosions qui ne laissent même pas une poussière de l'étoile.

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).

Deux trous noirs qui tournent l'un autour de l'autre se comportent comme un bateau qui rame avec des étoiles. Chaque étoile qui passe est rejetée, comme un coup de rame, et transmet de l'impulsion à la paire. On a longtemps pensé que cela ne faisait que rapprocher les trous noirs.