VLBI

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.

La lumière dans une fibre optique ressemble à un ruisseau : elle coule à l'intérieur du fil de verre et ne déborde pas. Un fil épais laisse passer plusieurs ruisselets à la fois, un fil fin n'en laisse passer qu'un seul. Les astronomes ont souvent besoin de transvaser la lumière d'un fil épais dans plusieurs fils fins pour la décomposer en couleurs.

Les caméras d'une voiture autonome captent la lumière, telles des télescopes pointés vers une lointaine galaxie. Chaque image est une observation fragmentaire ; ensemble, elles doivent former une carte du chemin.

En 1967 déjà, Jocelyn Bell Burnell captait la première « voix » d'une étoile à neutrons — le pouls régulier d'un pulsar.

Une petite pièce de monnaie tourne autour d'une lourde boule de bowling. La pièce, c'est un petit trou noir ou une étoile à neutrons, et la boule, c'est un trou noir supermassif au centre d'une galaxie.

Dans le silence du laboratoire, un pétale de graphite plane au-dessus d'une grille magnétique. Ce n'est pas seulement une démonstration de la magie du diamagnétisme, c'est une écoute de l'Univers. Comme une araignée qui déploie sa toile pour capter les vibrations du monde invisible, cette feuille est devenue une toile gravitationnelle.

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.

Un projecteur éclaire une salle obscure. Entre la lampe et le mur, une lentille invisible passe — et la tache de lumière devient un instant plus brillante, se déplace légèrement.

Dans les années 1960, le physicien Joseph Weber tentait déjà de capturer les ondes gravitationnelles à l'aide de cylindres en aluminium, qui devaient vibrer comme des diapasons sous l'effet des ondulations de l'espace-temps.

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 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.

Cent personnes parlent en même temps dans une grande salle. Vous essayez d'en écouter une seule — mais les voix se fondent, certaines chuchotent, et vous ignorez même l'existence de certaines. C'est à peu près ce que ressent un analyseur de gaz laser classique lorsque des dizaines de substances se mélangent dans une chambre de combustion ou un tuyau d'usine.

Un lidar ordinaire ressemble à un peintre qui dessine un paysage mais ne voit que des ombres grises. Il mesure précisément la distance de chaque point, mais ne peut pas dire ce que c'est : pierre, bois ou plastique. Pour connaître la composition, il faut un spectromètre — un appareil séparé, lent, qui n'arrive pas à suivre le rythme d'un scanner rapide.

La Lune ne se contente pas de flotter dans le ciel : elle laisse derrière elle une longue traîne de vent solaire perturbé. Le flux de particules chargées venant du Soleil contourne la sphère rocheuse, et derrière elle se forme une zone où les particules sont presque absentes.

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.

Un faisceau laser traverse la cellule, et celle-ci répond au contact, comme une corde tendue que l'on pince. La fréquence de cette « résonance » révèle si le matériau est rigide ou souple. C'est le principe de la microscopie Brillouin, nommée d'après le physicien français Léon Brillouin.

La lumière des étoiles lointaines voyage pendant des millions d'années, mais les rayons X ne peuvent pas être captés par du verre ordinaire : ils le traversent comme une balle traverse du papier. C'est pourquoi les télescopes à rayons X nécessitent des lentilles spéciales : des piles de minuscules prismes qui dévient doucement les rayons et les concentrent en un seul point.

Chaque nuit, les radiotélescopes produisent des millions d'images de galaxies lointaines. Impossible de traiter un tel flux à la main. Edwin Hubble classait déjà les galaxies selon leur forme, mais aujourd'hui, des algorithmes intelligents les reconnaissent plus vite. Le problème, c'est que ces algorithmes ont besoin de nombreux exemples annotés par des humains.

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.

Un télémètre laser classique fonctionne comme un chronomètre sur un 100 mètres : il mesure le temps que met la lumière pour aller jusqu'à la cible et en revenir. Mais ce chronomètre a une limite : il tique par pas de quelques dizaines de picosecondes (millièmes de milliardième de seconde).

La lumière blanche ordinaire est un mélange de toutes les couleurs à la fois, comme le bruit d'une foule où chacun parle à sa fréquence. Les scientifiques, eux, ont besoin d'une lumière où les fréquences sont alignées avec précision, comme les touches d'un piano où chaque note sonne séparément et exactement.

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.

Jusqu'à présent, on étudiait l'énergie noire comme le moteur d'une voiture, en ne regardant que la vitesse atteinte par l'expansion de l'univers.

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.

Dans l'obscurité, une minuscule étincelle jaillit. Un rayon gamma, né à l'intérieur du corps d'un patient, frappe un cristal et y libère une gerbe de lumière. La mission du détecteur : comprendre où exactement cela s'est produit. Plus la réponse est précise, plus l'image sur l'écran du tomographe est nette.

Une imprimante 3D classique extrud du plastique comme un pâtissier poche de la crème. Ici, au lieu du plastique, c'est la lumière. Un faisceau laser dessine dans une résine liquide, la faisant durcir aux points voulus. Ainsi naissent des pièces invisibles à l'œil nu. Jusqu'ici, ces imprimantes étaient lentes : le faisceau rampait sur la surface comme une plume sur le papier.

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.

Le laser frappe le tissu, et celui-ci répond par un clic à peine audible — une onde sonore. Des capteurs la détectent, et à partir de ces signaux, on construit une image de ce qui se trouve à l'intérieur. C'est ainsi que fonctionne l'imagerie photoacoustique : la lumière pénètre profondément, et le son ramène l'image à la surface. Dans le nouveau schéma, il n'y a pas de capteurs.

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.

La Lune n'est pas seulement un satellite, c'est une cloche gravitationnelle en puissance. Lorsque des corps massifs entrent en collision, l'espace-temps tremble, et ce tremblement, les ondes gravitationnelles, fait vibrer tout ce qu'il rencontre.