cartographie par réverbération

Les ondes radio d'un pulsar lointain traversent le milieu interstellaire et rencontrent sur leur chemin des structures magnétiques invisibles de la taille de la distance entre le Soleil et la Terre.

Six coureurs sprintent sur la piste, et les juges mesurent leur vitesse sans remarquer le vent arrière. Le vent souffle dans leur dos, et les chronomètres affichent un meilleur résultat que la réalité.

On peut envoyer une impulsion radio courte vers un trou noir et attendre l'écho réfléchi. On pourrait penser que plus le signal est court, mieux il sonderait les moindres détails de l'espace près de l'horizon – cette région d'où même la lumière ne revient pas.

Dans les confins obscurs de notre Galaxie, loin des amas d'étoiles brillants, se cachent des millions de trous noirs. Ils sont invisibles : ils n'émettent pas de lumière et n'absorbent pas de matière de manière notable. Les méthodes de détection classiques, conçues pour les champs stellaires denses, sont impuissantes ici. Il faut une autre approche.

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.

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.

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.

Les sursauts radio rapides — des impulsions radio millisecondes provenant de galaxies lointaines — sont longtemps restés une énigme.

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.

Le trou noir n'est pas un vide figé, mais un moteur magnétique vivant. Son « cœur » — le disque d'accrétion — pulse : à l'inspiration, la matière s'enroule en entonnoir ; à l'expiration, la reconnexion magnétique déchire les lignes de champ, et le plasma jaillit loin de l'horizon.

Un puissant projecteur qui s'allume et s'éteint. La lumière se réfléchit sur les nuages environnants, et le délai du signal réfléchi permet de déduire la distance des nuages. C'est à peu près ainsi que les astronomes étudient la couronne chaude – le nuage de plasma incandescent au-dessus du trou noir au centre d'une galaxie active. Mais il y a un hic.

La fusion de deux trous noirs est l'explosion la plus puissante de l'Univers, mais il est impossible de la voir. Nous ne captons que le frémissement de l'espace-temps — les ondes gravitationnelles qui nous parviennent du cœur même de la catastrophe.

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.

Un trou noir acoustique est un flux de fluide plus rapide que le son, si bien que les ondes sonores ne peuvent pas s'en échapper. La frontière — la surface où la vitesse du flux atteint la vitesse du son — engendre des paires de phonons : des quanta de son dont l'un s'éloigne tandis que l'autre tombe vers l'intérieur.

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.

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.

Les trous noirs peuvent être légers — issus d'étoiles mourantes — ou supermassifs — au cœur des galaxies. Il manquait le chaînon intermédiaire.

La matière noire est la grande invisible du cosmos. Elle n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit la lumière, mais son emprise gravitationnelle se ressent dans chaque mouvement des galaxies. Il y a soixante-dix ans, Vera Rubin a montré que les périphéries des galaxies tournent trop vite, comme si un berger invisible les fouettait.

Posez deux réveils identiques sur une table et déclenchez-les en même temps. Si l'un d'eux se trouve sur une surface glissante et commence à déraper lentement, son mécanisme se dérègle — et au bout d'une minute, ils sonneront en décalé. C'est à peu près ainsi que fonctionne la nouvelle méthode proposée par des astrophysiciens pour les trous noirs supermassifs.

Photographier les abords d'un trou noir rappelle la photo d'un jet d'eau : une pose courte fige les gouttes, une pose longue les transforme en traînées floues. La lumière du gaz incandescent qui tourbillonne près du trou nous parvient par des chemins différents.

Un trou noir est invisible, mais la lumière de la matière surchauffée qui tourbillonne à proximité le trahit. Cette lumière est comme un agent double : d'un côté de l'orbite, elle bleuit en se rapprochant de nous ; de l'autre, elle rougit en s'éloignant.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, l'effondrement du cœur peut donner naissance à une supernova et à une étoile à neutrons, mais si la masse est suffisante, rien n'arrête la contraction — un trou noir naît.

En 2019, le télescope Event Horizon a offert à l'humanité la première image de l'ombre d'un trou noir — un anneau de feu autour de l'abîme au centre de la galaxie M87.

Un immense étang où se propagent des ondulations causées par deux lourdes pierres qui tournent l'une autour de l'autre. Les pierres se rapprochent, les ondulations deviennent plus fréquentes et plus fortes, et bientôt les pierres vont se heurter. Les ondes gravitationnelles sont comme ces ondulations, mais non pas sur l'eau, dans le tissu même de l'espace.

Un trou noir n'est pas simplement une sphère sombre dans l'espace. Si du gaz et de la poussière se trouvent à proximité, ils s'enroulent en un disque plat et lumineux qui tombe progressivement vers l'intérieur. Ce disque, telle une lampe, éclaire le trou lui-même, et sur ce fond brillant on distingue son ombre — une silhouette sombre aux bords nets.

Lorsque deux trous noirs supermassifs tournent l'un autour de l'autre avant de fusionner, ils secouent l'espace lui-même — comme un bateau à moteur qui laisse des vagues derrière lui sur un lac. Ces vagues sont appelées ondes gravitationnelles. Elles traversent l'Univers et tout ce qui s'y trouve, même la Terre.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, l'espace est secoué par des ondes gravitationnelles, et le trou noir nouvellement né reçoit une puissante impulsion, comme un canon qui tire. Au centre des galaxies, il tombe souvent dans un disque de gaz — un nuage de matière en rotation, semblable à une cible.

Un caillou jeté dans une mare crée des ondulations courbes, mais de loin elles paraissent droites. Les éclairs de rayons gamma d'un trou noir en évaporation se comportent de la même manière : une explosion lointaine envoie des ondes plates, tandis qu'une explosion proche arrive courbée.

Les images de galaxies lointaines sont parsemées d'arcs et de taches incurvés : c'est la lumière qui a été déformée en chemin vers nous. Cet effet, prédit par Albert Einstein, agit comme un miroir déformant géant : un amas de galaxies massif déforme les images des sources en arrière-plan.

Si une énorme trou noir vit au centre d'une galaxie, elle chauffe le gaz qui tombe dessus à des températures incroyables. Ce gaz brille, et nous le voyons comme un quasar — le phare le plus brillant de l'univers. Mais comment mesurer la taille de la source lumineuse elle-même ?

Le bourdonnement d'une place bondée : c'est ainsi que résonne le fond gravitationnel de l'Univers, capté par un réseau de pulsars — des étoiles qui pulsent avec la régularité d'une horloge. Dans ce vacarme se dissimulent les « empreintes » de paires de trous noirs qui tourbillonnent l'un autour de l'autre.

Au centre de notre Galaxie se cache un trou noir supermassif, Sagittarius A* — un poids lourd qui maintient les étoiles en orbite autour de lui. Les astronomes rêvent d'y trouver des pulsars : ces balises cosmiques émettent des impulsions radio avec la précision d'horloges atomiques.

Dans les années 2010, les astronomes ont remarqué une chose étonnante : les trous noirs supermassifs au centre des galaxies, malgré d'énormes différences de taille et de luminosité, s'alignent sur une même ligne droite lorsqu'on trace un graphique de leur émission en millimétrique en fonction de leurs rayons X et de leur masse.

Si l'on fait briller brièvement une lumière près d'un trou noir, celui-ci répond par un long écho, telle une cloche qui continue de sonner après le coup. La lumière est retardée à proximité du trou, se réfléchissant de multiples fois sur une frontière invisible — la sphère photonique, où les rayons tournent en rond, comme le son dans le métal.

La fusion de trous noirs engendre une onde gravitationnelle. Parfois, sur son chemin, elle rencontre une galaxie ou un amas de matière noire, prédite par Fritz Zwicky et découverte par Vera Rubin.

Les minuscules trous noirs, nés dans les premiers instants après le Big Bang, auraient dû, selon la théorie de Hawking, disparaître depuis longtemps — s'évaporant comme une flaque d'eau au soleil. Mais de nouveaux calculs montrent que l'évaporation n'est pas si rapide.

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire. Une des hypothèses : ce serait de minuscules trous noirs, nés au moment du Big Bang. Avec une masse d'astéroïde et une taille plus petite qu'un atome, ils traversent les planètes sans laisser de trace.