interférométrie à très longue base

Chaque seconde, des milliers d'avions de ligne dans le ciel émettent des signaux radio – c'est ainsi que les contrôleurs aériens voient où se trouve chaque appareil. Ces signaux ne se propagent pas en ligne droite : l'air, selon son humidité, les courbe comme une lentille.

Un réseau de radiotélescopes dispersés sur toute la planète capte le murmure d'un trou noir lointain. Chaque antenne enregistre un signal, mais comment combiner ces enregistrements si les horloges des stations ne battent pas à la même vitesse et si l'atmosphère déforme les ondes qui arrivent ?

Jetez une pierre dans l'eau : près du point d'impact, les vagues sont chaotiques — c'est le champ proche. Plus loin, elles s'étalent en cercles réguliers — le champ lointain. Ce même principe régit les antennes pour la communication térahertz, l'avenir de l'Internet ultra-rapide.

En ville, le signal rebondit entre les murs comme une balle, et le téléphone capte des dizaines de ces « réflexions » — des échos. Chaque microseconde de retard ajoute 300 mètres au trajet. La vitesse du signal est constante, comme celle de la lumière (vitesse de la lumière).

Les astronomes dressent des cartes de galaxies et écoutent le murmure radio de l'hydrogène neutre. Le signal est si faible qu'un téléviseur en marche pourrait le noyer, mais des antennes sensibles le captent depuis les profondeurs de l'Univers.

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

La recherche d'intelligence extraterrestre attend depuis des décennies de discrets sifflements venus de l'espace. Mais notre propre technosphère a créé un fond radio continu — comme le ronronnement d'une immense métropole. Si des étoiles voisines possèdent des antennes sensibles, elles entendent déjà ce bruit.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations du tissu de l'espace, comme les cercles à la surface de l'eau après qu'on y a jeté une pierre. Sur Terre, le trafic, les marées et les tremblements de terre les noient, un peu comme une tempête qui agite un lac et empêche de remarquer de faibles remous.

La théorie de la gravité d'Einstein explique comment la masse courbe l'espace et le temps. Sa validité a été testée près de la Terre, mais les tests les plus extrêmes sont possibles à proximité des trous noirs, où les distorsions atteignent leur paroxysme.

Un couple de patineurs tourne en se tenant par la main. Si la trajectoire est un cercle parfait, chaque poussée du partenaire est prévisible. Mais si on l'allonge en ovale, les efforts deviennent inégaux : à l'approche, une secousse ; à l'éloignement, une accalmie. C'est à peu près ce que font deux trous noirs dans les dernières minutes avant leur fusion.

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 orchestre dont les musiciens jouent dans des villes différentes, et dont le chef les entend avec un décalage d'une fraction de seconde. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les réseaux de radiotélescopes comme le Very Long Baseline Array — une dizaine d'antennes, d'Hawaï aux îles Vierges, captent le murmure de galaxies lointaines.

Une rivière coule dans un sens, mais les vagues à sa surface se déplacent dans l'autre. Ce même dédoublement se produit dans les matériaux hyperboliques : l'énergie de l'onde lumineuse et ses fronts divergent, empêchant la création d'une lentille nette.

La lumière d'une étoile met des millions d'années à nous parvenir, mais dans un télescope, elle apparaît toujours comme un point — trop loin. Pour voir la surface d'une étoile, il faudrait un instrument de la taille d'une ville. Au Chili, un tel géant est déjà en construction : ELT, avec un miroir de 39 mètres, assemblé à partir de 798 segments hexagonaux.

La galaxie lointaine TXS 2005+403, située dans la constellation du Cygne, se comporte comme un phare dont le faisceau traverse un brouillard. La lumière de son noyau actif — la région où un trou noir supermassif chauffe la matière qui tombe vers lui — croise, sur son chemin vers nous, des nuages de gaz chargé dans notre Galaxie.

La lumière d'un lampadaire qui traverse des stores vénitiens scintille : les bandes bougent, et la luminosité augmente puis diminue. À ce rythme, on peut deviner la largeur du lampadaire lui-même.

Les cellules respirent. Elles ont besoin d'oxygène et le prélèvent dans le sang qui circule dans les vaisseaux les plus fins. Si le flux sanguin est faible ou si l'oxygène manque, les cellules commencent à suffoquer. Pour les médecins, il est crucial de le voir le plus tôt possible.

Des radiotélescopes répartis sur toute la Terre captent les ondes provenant de trous noirs lointains. Mais deux télescopes très proches l'un de l'autre ne voient qu'une tache floue — les détails leur échappent. Habituellement, de telles paires sont jugées inutiles et écartées. À tort : même une tache floue recèle des indices.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre, et leur danse ne ressemble pas toujours à une valse régulière. Si les trous noirs tournent sur leur axe, leur orbite peut commencer à culbuter — comme une toupie qu'on pousse et qui penche sur le côté tout en continuant à tourner.

Plus les antennes sont éloignées les unes des autres, plus les détails qu'elles captent sont fins. En combinant leurs signaux, les astronomes transforment plusieurs instruments en un seul télescope de la taille de la distance qui les sépare. En ajoutant une antenne lunaire aux antennes terrestres, on obtient un œil virtuel de 384 000 km de diamètre.

Le trou noir du système binaire V4641 Sagittarii se comporte comme un mixeur géant. Il aspire la matière de l'étoile voisine et la rejette dans l'espace sous forme de deux jets étroits. Ces jets frappent le gaz environnant comme un jet d'eau sur du sable, et creusent peu à peu une cavité immense autour du trou noir.