éclair de rayons X

Un stroboscope dans une salle obscure saisit des ombres fugitives que l'œil ne perçoit pas. Un trou noir primordial de la taille d'un virus, passant devant une étoile lointaine, amplifie sa lumière pendant quelques secondes, comme une loupe braquée sur une ampoule.

Le télescope à rayons X XMM-Newton a observé la galaxie Mrk 1044 pendant deux heures d'affilée. À l'intérieur, un trou noir autour duquel tourbillonne un gaz surchauffé. Ce gaz émet des rayons X, et sa luminosité tremble : tantôt plus brillante, tantôt plus faible.

Pendant trois jours d'affilée, un laser a frappé un jet de gaz, et à chaque seconde naissait un faisceau d'électrons avec une énergie comparable à celle d'un petit éclair. Auparavant, de tels faisceaux n'étaient obtenus que dans d'immenses halls, où l'accélérateur occupait tout un bâtiment. Désormais, l'ensemble tient dans une pièce et a fonctionné sans défaillance pendant 72 heures.

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Une éponge que l'on arrose lentement avec un arrosoir s'imbibe entièrement. Mais si l'on y jette le même seau d'eau d'un coup, le centre sera mouillé tandis que les bords resteront presque secs. C'est à peu près le comportement d'un matériau qui absorbe l'énergie de manière non linéaire : plus le flux est intense, plus il reste piégé au point d'impact.

À la surface de la Lune et des astéroïdes, on rencontre des creux plus petits qu'une tête d'épingle, mais avec des bords brillants et fondus. Ces traces sont laissées par de minuscules météorites, mais la vitesse exacte d'impact nécessaire pour produire la fusion restait incertaine.

Le tireur vise la cible, appuie sur la détente — et entend deux détonations : l'une forte, l'autre plus discrète. C'est ainsi que fonctionne le nouveau dispositif, sauf qu'au lieu de balles, on a un paquet d'électrons, et au lieu de coups de feu, deux éclairs de lumière. L'un est un rayon X, l'autre est térahertz. Ils se dirigent vers un même point avec un intervalle parfait.

En juillet 1969, alors qu'Apollo 11 volait vers la Lune, les astronautes ont remarqué quelque chose d'inhabituel : de brefs éclairs de lumière qui apparaissaient même les yeux fermés. Au début, on a mis cela sur le compte de la fatigue, mais les flashs se sont répétés chez différents équipages.

Un trou noir apparié à une étoile fonctionne comme une pompe : il aspire le gaz de sa compagne, le fait tourbillonner en un disque lumineux et, de temps à autre, éjecte une partie de la matière sous forme de deux jets étroits. En 2021, le système 4U 1543-475 a offert un tel spectacle.

Un flash photographique qui se déclenche en un millième de seconde ne chauffe pas le sujet – contrairement à un flash ordinaire qui dure une seconde entière.

Un microscope ordinaire est impuissant lorsqu'il s'agit d'observer un virus isolé dans les moindres détails. Trop petit. Mais il existe un instrument qui émet des éclairs des milliards de fois plus brillants que la lumière du soleil — le laser à rayons X à électrons libres.

L'Univers est un immense orchestre interprétant la partition de l'expansion. Les galaxies s'éloignent au rythme d'une musique inaudible : l'énergie noire.

Un chaudron géant qui couve presque toujours, mais qui projette parfois des gerbes d'étincelles. C'est à peu près le comportement du trou noir supermassif au centre de notre galaxie – l'objet Sagittaire A*. Il est quatre millions de fois plus massif que le Soleil et se trouve à 26 000 années-lumière de nous.

L'ionosphère, à 70 kilomètres d'altitude, agit comme un miroir géant pour les ondes radio. Les antennes terrestres y envoient en permanence un signal et écoutent la réflexion.

Un tuyau d'arrosage projette un jet fin et puissant. En le déplaçant sur le jardin, on peut arroser tout le potager sans inonder les allées. C'est à peu près ainsi que fonctionne la nouvelle approche pour traiter les tumeurs profondes : au lieu d'un large flux de rayonnement, on utilise un faisceau étroit d'électrons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, et on balaie la tumeur avec, comme avec un…

Le trou noir GRS 1915+105 se cache généralement derrière un rideau de gaz dense — son émission de rayons X est fortement absorbée sur le chemin vers nous. Mais en avril 2023, il a soudainement érupté : le flux de rayons X a presque décuplé.

L'analyse par fluorescence X classique fonctionne comme un recenseur méticuleux : pour connaître la composition d'un tableau, il parcourt chaque centimètre carré et note dans son registre s'il y a du plomb ou du cuivre. Pour une feuille plane, cela reste supportable, mais pour un objet en volume, c'est une épreuve.

Un flash photo ordinaire fige l'instant en quelques centièmes de seconde – mais pour les atomes, c'est une éternité. Dans les molécules, les électrons sautent d'une orbite à l'autre en quelques attosecondes : un milliardième de milliardième de seconde. Pour capturer un tel événement, il faut une impulsion lumineuse plus brève que l'événement lui-même.

En 2017, le détecteur IceCube a capté un neutrino provenant de la galaxie lointaine TXS 0506+056. C'est comme entendre une sonnerie de l'autre côté de l'océan : le signal vient de là où naissent les particules les plus énergétiques de l'Univers.

L'IRM, c'est un peu comme un appareil photo qui photographie l'intérieur du corps, mais très lentement. Le patient doit rester immobile plusieurs minutes, pendant que le cœur, lui, continue de battre. Si la personne bouge ou si le rythme s'emballe, l'image devient floue. Les médecins doivent alors recommencer l'examen, perdre du temps et s'énerver.

Pendant dix-sept ans, le télescope spatial Fermi a enregistré la lumière de la lointaine galaxie 4C 76.03. La plupart du temps, elle se comportait calmement, comme une ville endormie où seules quelques fenêtres sont éclairées.

Un détecteur de matière noire ressemble à un microphone très sensible qui écoute le silence. Il capte de minuscules secousses thermiques – les phonons – qui se produisent lorsqu'une particule frôle le cristal.

Deux villes : l'une avec des rues droites et bien alignées, l'autre avec des ruelles tortueuses. Si on lâche un puissant jet d'eau sur les deux, dans la première l'eau s'écoulera rapidement par les canaux, tandis que dans la seconde elle inondera tout autour. C'est à peu près ce qui se passe dans les tissus lors de la radiothérapie ultrarapide, appelée FLASH.

Au cœur de nombreuses galaxies se cachent des trous noirs supermassifs. De temps à autre, ils « crient » — émettant de puissantes éruptions de rayons X. Les scientifiques se sont longtemps interrogés sur la nature de ces « éruptions quasi périodiques ».

Une éruption solaire ressemble à un court-circuit dans une enseigne au néon géante. À l'intérieur du Soleil, les champs magnétiques s'enroulent en boucles, comme des élastiques torsadés, et lorsqu'ils se reconnectent, de l'énergie est libérée dans l'espace.

Les sources modernes de rayons X ressemblent à un orchestre sans chef : les électrons du faisceau volent chacun de son côté, et le rayonnement qui en résulte est flou. La nouvelle idée est de faire en sorte que les électrons s'alignent en rangées régulières avec un pas de quelques nanomètres. Ainsi, la lumière qu'ils émettent devient cohérente, comme un faisceau laser.

En décembre 2024, le quasar PG 1211+143 s'est retrouvé dans le viseur de deux observatoires à rayons X : les spectroscopes XRISM et XMM-Newton l'ont observé simultanément. Un quasar est le noyau extrêmement lumineux d'une galaxie lointaine, où un trou noir supermassif aspire le gaz environnant.

Le 31 décembre 2023, une éruption de classe supérieure s'est produite sur le Soleil — une de celles qui libèrent en quelques minutes l'énergie de milliards de bombes atomiques. Simultanément, une immense protubérance s'est détachée de la surface : un nuage de gaz surchauffé qui s'est éloigné du Soleil à près de 3000 kilomètres par seconde.

Le télescope spatial Einstein Probe a enregistré un orage céleste : après un bref (0,4 seconde) sursaut gamma — l'éclair cosmique — un long roulement de tonnerre en rayons X a suivi. Il a duré près de 10 minutes. C'est la première preuve directe que de telles explosions laissent une traînée de rayons X persistante.

Sept fois, des astronomes ont observé un trou noir déchiqueter une étoile qui passait par là. Les sursauts ont été mesurés avec une grande précision en rayons X, et ils ont remarqué que le rayonnement le plus énergétique précédait toujours le rayonnement mou de 500 secondes.

De brèves et puissantes perturbations radio provenant de l'espace lointain ont longtemps laissé les scientifiques perplexes. On pense que leur source est le noyau ultra-dense d'étoiles mortes, où les champs magnétiques sont d'une intensité inimaginable.

Un aimant de frigo tient grâce à de minuscules aiguilles internes, chacune comme une boussole miniature. Si l'on frappe le métal avec une impulsion lumineuse ultra-courte, ces aiguilles se mettent à tournoyer de manière chaotique, et le magnétisme fond en un millionième de milliardième de seconde. Autrefois, une telle « fonte » était trop rapide pour être observée.