vitesse de rotation

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.

C'est comme un record en sprint : pour le battre, il faut un élan parfait. Mais pour les pulsars submillisecondes, l'élan est trop court. Le pulsar le plus rapide connu, PSR J1748-2446ad, effectue 716 tours par seconde, plus vite qu'un blender de cuisine. S'il avait la taille de la Terre, un point à son équateur se déplacerait à environ 0,24 fois la vitesse de la lumière.

Le vent solaire est un flux continu de particules chargées s'échappant du Soleil. Il comporte deux composantes principales : les protons (noyaux d'hydrogène) et les particules alpha (noyaux d'hélium, quatre fois plus lourds).

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 galaxie ressemble à une ville : au centre, des lumières vives et une densité de bâtiments élevée, tandis qu'en périphérie, les lumières se raréfient et laissent place au vide. Mais si l'on observe la rotation du gaz dans le disque galactique, on constate que sa vitesse ne chute presque pas en périphérie.

Jetez deux pierres de formes différentes dans un étang : les cercles à la surface raconteront laquelle était lisse et laquelle était anguleuse. C'est ainsi que fonctionnent les ondes gravitationnelles : lorsque deux objets superdenses fusionnent, les vibrations de l'espace-temps transportent des détails sur leur structure interne.

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).

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.

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.

Au cœur de la Voie lactée, des étoiles tournent autour d'un trou noir supermassif invisible. L'une d'elles, S301, fait le tour complet en seulement 8,7 ans. Sa trajectoire ressemble à une ellipse très aplatie : tantôt elle frôle le trou noir, tantôt elle s'en éloigne. Au moment de la plus grande approche, la distance qui l'en sépare devient minuscule à l'échelle cosmique.

À 26 000 années-lumière de la Terre, au cœur de la Voie lactée, l'étoile S301 file à travers l'espace à 18 000 kilomètres par seconde. Elle contourne le trou noir supermassif Sgr A* sur une orbite allongée.

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.

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.

89 millisecondes. C'est la durée d'une avalanche de vortex qui accélère brusquement la rotation du pulsar Vela — l'un des pulsars les plus célèbres pour ses glitches. Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide, nées de l'effondrement de supernovae.

Trois millisecondes avant la fusion. Un immense trou noir en rotation frénétique attire une étoile à neutrons — une boule de la taille d'une ville mais d'une masse équivalente à une fois et demie celle du Soleil. Les forces de marée étirent l'étoile en un filament aussi fin qu'une aiguille et dispersent la matière.

En mai 2020, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré le sursaut gravitationnel GW200105. Parmi la multitude d'ondes gravitationnelles similaires, celui-ci se distinguait par une étrangeté : l'orbite de l'étoile à neutrons et du trou noir en collision n'était pas un cercle parfait, mais une…

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.

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 manège : une structure légère est plus facile à faire tourner, une massive l'est moins. C'est à peu près ce qui se passe pour les étoiles à neutrons, ces vestiges ultra-denses d'étoiles explosées. Des astronomes ont examiné une cinquantaine de systèmes binaires où une étoile à neutrons orbite autour d'une autre, et ils ont remarqué : plus l'étoile est massive, plus sa période de rotation est longue.

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.

Lorsque deux étoiles superlourdes tournent l'une autour de l'autre dans une danse serrée, l'espace autour d'elles tremble. Ce tremblement — les ondes gravitationnelles — est capté par de gigantesques détecteurs sur Terre.

Une personne sur une vieille photo se tient dans une foule tout en tournant sur elle-même — deviner son âge est presque impossible. C'est à peu près ainsi que les astronomes déterminent l'âge et la masse des étoiles lointaines, et ils se trompent souvent.

Dans les disques d'accrétion qui ceinturent les noyaux des galaxies actives — les quasars, découverts par Maarten Schmidt dans les lointaines années 1960 — coule une rivière de gaz et de poussière surchauffés.

Au cœur des galaxies, là où des trous noirs supermassifs sommeillent au milieu d'essaims d'étoiles, éclatent parfois des lueurs d'une puissance monstrueuse : les disruptions de marée. Mais certains de ces événements se comportent de manière étrange : ils se répètent sans cesse, et chaque nouvelle flambée est plus faible que la précédente.

Lorsque la lumière passe à proximité d'un trou noir, elle tombe dans un piège gravitationnel : sa trajectoire est courbée, et la particule zigzague sur une orbite presque fermée, telle une bille de flipper.

Une toupie tourne à grande vitesse et, au lieu d'un ronronnement régulier, émet un bourdonnement sourd — parce qu'elle est légèrement cabossée. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les étoiles à neutrons : des sphères de la taille d'une ville, compressées à une densité telle qu'une cuillère à café de leur matière pèse autant qu'une montagne.

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.

Einstein et Rosen ont imaginé un pont reliant deux feuilles de réalité. Wheeler lui a donné un nom — trou de ver — et Thorne avec Morris ont prouvé que le tunnel est traversable si on le remplit de matière exotique.

Un entonnoir géant tourne à une vitesse prodigieuse. Si l'on y jette une corde, en fixant une extrémité au bord et en laissant l'autre à l'extérieur, l'entonnoir commence à enrouler la corde sur lui-même, la faisant tourner. C'est à peu près ce qui se passe pour une corde cosmique près d'un trou noir en rotation.

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.

La lumière réfléchie par le disque incandescent autour d'un trou noir peut en révéler plus que ce que l'on pensait. Lorsque le disque émet de la chaleur, une partie de cette lumière est réfléchie vers le disque et diffusée, acquérant une distribution d'énergie inhabituelle — comme si un nouveau composant, semblable à une loi de puissance, s'ajoutait à la lueur ordinaire.

Le radiopulsar J1574+4703 est une étoile qui se comporte comme un phare capricieux. Au lieu d'émettre en continu, il allume son faisceau radio par brèves impulsions, puis se tait longuement. De tels objets sont appelés « transitoires radio rotatifs » — en abrégé RRAT.

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.

En 2019, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont capté un signal provenant de la fusion d'objets lointains. L'un d'eux était un trou noir de 23 masses solaires. Le second ne pesait que 2,5 masses solaires — et c'est étrange.

Un faisceau laser vole généralement tout droit, comme un jet d'eau sortant d'un tuyau. Mais que se passerait-il si l'on tordait ce jet comme le filet d'un tire-bouchon ? On obtiendrait un ressort lumineux — un faisceau qui, en avançant, tourne également autour de son axe.

Une étoile comme le Soleil bourdonne comme une cloche : à l'intérieur, des ondes sonores font vibrer imperceptiblement la surface. Grâce à ces vibrations, les astronomes, comme des médecins qui prennent le pouls, jugent de la température, de la densité et de l'âge de l'étoile.

Dans les nuages froids de gaz et de poussière, où s'allumeront un jour des étoiles, une partie des atomes a perdu des électrons et s'est chargée électriquement. Les particules chargées ressentent le champ magnétique, contrairement aux particules neutres, si bien que les unes glissent à travers les autres, comme l'eau à travers un tamis.

Le télescope spatial Gaia a mesuré la vitesse de rotation de plus de cent mille étoiles. Il s'avère que cette vitesse dépend de la température de l'étoile. Pour les étoiles plus froides que 6500 degrés, la surface se déplace à une vitesse de 10 à 20 kilomètres par seconde.

Au cœur de presque toutes les galaxies se cachent des trous noirs — des géants invisibles. Quand deux galaxies entrent en collision, leurs trous noirs se retrouvent en couple, condamnés à danser l'un autour de l'autre.