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Une balise au bord de la galaxie clignote sans horaire : tantôt elle se tait pendant des années, tantôt elle émet des centaines d'éruptions en une seule journée. Une telle balise exige un veilleur qui ne dort jamais et ne se laisse pas distraire.

Le pulsar PSR J0614-3329 effectue 318 tours par seconde. Un point à son équateur se déplace à environ 10 % de la vitesse de la lumière. Vu de l'extérieur, l'étoile ressemble à un phare qui tourne si vite que son faisceau se fond en un anneau continu.

La forêt nocturne est pleine de lucioles, mais auparavant nous ne voyions que celles qui se trouvaient par hasard dans le faisceau d'une lampe de poche. C'était le cas des sources de rayons X ultra-lumineuses, des points dans d'autres galaxies qui brillent en rayons X plus intensément que ce qu'un trou noir de masse stellaire peut émettre de manière stable.

Les rayons gamma sont la lumière la plus énergétique de l'Univers. Mais une partie d'entre eux, d'énergie intermédiaire, est restée longtemps invisible : les instruments ne pouvaient pas les détecter, laissant un vide dans le ciel. Les scientifiques l'appellent le « vide du MeV », d'après l'unité d'énergie que portent ces rayons.

Le sculpteur façonne des montagnes avec des champs magnétiques et de la chaleur, mais la pierre résiste. Une étoile à neutrons — résidu superdense d'une explosion de supernova — dans un système binaire aspire de la matière de l'étoile voisine.

Un phare ne brille pas de manière continue, mais par de brefs éclats lumineux. L'étoile à neutrons du système 4U 1323-62 est un tel phare dans le domaine des rayons X. Elle attire le gaz de son étoile compagne, et lorsque suffisamment de matière s'accumule à sa surface, une explosion thermonucléaire se produit — un sursaut de rayons X.

La galaxie d'Andromède est notre plus proche grande voisine, et comme la Voie lactée, elle possède un manteau de gaz invisible. Ce manteau, fait de gaz très chaud et ténu, s'étend sur des centaines de milliers d'années-lumière. Le voir directement est presque impossible – le gaz est trop faible.

L'Univers nous envoie constamment des signaux, mais beaucoup sont trop faibles pour être perçus. Les neutrinos reliques, ces particules issues du Big Bang, traversent la Terre par milliards chaque seconde, mais en capturer ne serait-ce qu'un seul relève de l'exploit.

Le lait qui bout se couvre d'une peau frémissante. En observant ses mouvements, on peut deviner la force du feu sous la casserole et la teneur en matière grasse du lait. De la même manière, les astrophysiciens scrutent le fond diffus cosmologique – la plus vieille lumière qui nous parvient, émise lorsque l'Univers n'avait que 380 000 ans.

Dans la lointaine galaxie du Cigare, il existe un phare singulier. Il n'émet pas de lumière au sens habituel – ses rayons naissent dans un nuage surchauffé autour d'un trou noir qui dévore la matière d'une étoile voisine. De tels objets sont appelés sources de rayons X ultralumineuses. Leur éclat en rayons X est si intense qu'il éclipse des galaxies entières.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent de gigantesques trous noirs. Ils sont entourés d’un épais nuage de plasma incandescent qui émet un puissant rayonnement X.

Les neutrinos solaires sont de minuscules particules nées dans les entrailles du Soleil par milliards de milliards chaque seconde. Ils traversent la Terre sans presque la remarquer et ont longtemps été considérés comme absolument stables. Mais peut-être peuvent-ils eux aussi « vieillir » — se désintégrer discrètement, disparaissant en chemin vers nous.

En 1998, les physiciens ont surpris les neutrinos en flagrant délit : la particule change de type en plein vol. Cela n'est possible que si elle a une masse. C'est devenu la seule preuve en laboratoire d'une physique au-delà du modèle standard. Mais combien pèse exactement un neutrino ? C'est toujours une énigme.

Au plus profond de la terre, dans le silence d'un cryostat (un conteneur réfrigéré), reposent des cristaux de plomb qui faisaient autrefois partie d'un navire romain antique. Ce matériau est presque sans bruit de fond : en deux mille ans, les isotopes instables se sont désintégrés, et il est désormais parfaitement pur pour la chasse aux événements les plus rares.

La main invisible de la matière noire étreint les galaxies dans les bras de la gravité, mais sa nature nous échappe depuis près d'un siècle.

Une vieille photographie, prise au moment de la naissance de l'Univers, nous transmet sa lumière depuis près de 14 milliards d'années. Ce cliché, c'est le fond diffus cosmologique, l'écho refroidi du Big Bang. On y voit les infimes irrégularités à partir desquelles les galaxies ont ensuite grandi.

L'histoire commence par une perplexité : dans les années 1930, Fritz Zwicky remarque que les amas de galaxies se comportent comme s'ils recelaient une immense masse invisible. Un demi-siècle plus tard, Vera Rubin confirme : les étoiles aux confins des galaxies tournent trop vite pour être retenues par la seule matière visible.

Il y a près de 12 milliards d'années, alors que l'Univers vivait son intense « midi cosmique » — une époque de formation stellaire record —, un quasar nommé WISSH13 s'embrasait au cœur d'une galaxie.

Un phare tourne dans un épais brouillard. Son faisceau perce l'obscurité, mais le brouillard lui-même reste invisible. C'est à peu près ainsi que les astronomes cherchent la matière noire : elle n'émet pas de lumière, mais elle peut influencer les signaux qui nous parviennent.

Une étoile à neutrons, c'est une ville de la taille de Manhattan compressée à une densité telle qu'une cuillère à café de sa matière pèse autant que le mont Everest. Pour comprendre sa structure interne, les scientifiques mesurent son rayon.

De minuscules balles invisibles traversent le Soleil de part en part, sans presque remarquer sa matière. Ce sont les axions — des particules hypothétiques si légères et insaisissables qu'on les compare à des fantômes.

La matière noire échappe toujours à l'observation directe, bien que sa gravité maintienne les galaxies ensemble. Une des hypothèses : elle serait constituée d'axions, des particules très légères prédites par la théorie du modèle standard.

Dans les profondeurs de la mer Méditerranée, où l'eau exerce une pression de plusieurs centaines d'atmosphères, un réseau de sphères photosensibles attendait un hôte rare. Et il est venu – un neutrino qui a traversé l'épaisseur de la Terre avec une énergie comparable à celle d'une brique en vol.

En 1987, les astronomes ont observé l'éclat d'une supernova dans une galaxie voisine, le Grand Nuage de Magellan. Ce fut un cadeau rare : l'explosion était assez proche pour capturer non seulement la lumière, mais aussi les neutrinos (des particules quasi insaisissables qui traversent la Terre de part en part).

Lorsqu'on chauffe de la matière à des millions de degrés, elle se transforme en plasma – un mélange d'électrons libres et d'ions, semblable à une soupe bouillonnante de particules chargées. On ne peut pas sonder cette « soupe » avec un thermomètre ordinaire, mais on peut l'éclairer avec des rayons X.

Un faisceau de rayons X peut pénétrer à l'intérieur d'un morceau de métal opaque et révéler où se cachent des fissures ou des contraintes. Mais pour distinguer de tels défauts, il faut concentrer le faisceau en un pinceau très étroit, comme on concentre la lumière du soleil avec une loupe pour obtenir un point chaud.

L'étoile à neutrons 4U 1735-44 avale la matière d'une étoile voisine. Cette matière s'enroule en un disque plat, comme l'eau qui s'engouffre dans le drain d'une baignoire. Mais ce disque brille en rayons X, et pour la première fois, les astronomes ont pu mesurer à quel point ces rayons sont « peignés », c'est-à-dire polarisés.

Au cœur même de la Voie lactée, quelque chose émet continuellement une lueur gamma. Cette lumière est particulière : son énergie est exactement de 511 000 électronvolts. Une telle énergie apparaît lorsqu'un électron rencontre son antiparticule, le positron, et que les deux s'annihilent en laissant une bouffée de lumière.

Un puissant projecteur éclaire un épais brouillard. On ne voit pas le faisceau lui-même, mais le brouillard se met à scintiller faiblement – et révèle la présence du projecteur.

Dans une galaxie lointaine, à une distance que la lumière met 11 milliards d'années à parcourir, quelque chose a brillé. Le télescope à rayons X Einstein Probe a détecté un sursaut bref, comme une piqûre d'aiguille — il n'a duré que quelques dizaines de secondes.

La galaxie MCG+11-11-032 est relativement proche de nous — sa lumière met environ 150 millions d'années à nous parvenir. En son centre, comme dans la plupart des grandes galaxies, se trouve un trou noir supermassif. Mais il y a quelques années, les astronomes ont eu un soupçon : et s'il y en avait deux ? Le spectre en rayons X a donné l'indice.

Lorsqu'on comprime de la matière à des pressions de millions d'atmosphères et qu'on la chauffe à des milliers de degrés, elle n'est plus ni solide ni gazeuse. C'est l'état dense tiède — comme dans les entrailles des planètes géantes ou au moment de l'impact d'un météorite.

Au plus profond des Apennins, dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, quelque chose tressaille imperceptiblement tous les quelques jours.

Après la mort d'une étoile massive, une supernova explose avec une puissance telle qu'un seul éclair brille plus qu'une galaxie entière. Dans ce brasier naissent des milliards d'axions, des particules invisibles qui ne laissent presque aucune trace.

Dans une mine sombre sous les Alpes italiennes, une cuve contient trois tonnes de xénon liquide. Lorsqu'une particule y pénètre, elle arrache aux atomes de faibles flashs de lumière et des nuages d'électrons.

Le trou noir MAXI J1810-222 se comporte comme un aspirateur géant, mais avec un clapet anti-retour : il aspire la matière, et une partie est rejetée dans l'espace. Ce « flux inverse » — le vent stellaire — avait déjà été repéré par les astronomes, mais ils ne le voyaient que comme une tache floue en rayons X.

Un entonnoir géant dans l'espace aspire le gaz environnant. Une partie de ce gaz ne tombe pas à l'intérieur, mais est rejetée vers l'extérieur — comme des éclaboussures d'eau bouillonnante.

Un douanier ne peut pas démonter une valise pour savoir ce qu'elle contient. Il la passe aux rayons X et, grâce aux ombres sur l'écran, comprend : voilà du métal, voilà de la matière organique. De la même manière, un inspecteur des futurs traités de désarmement nucléaire devra vérifier une ogive — sans l'ouvrir et sans voir son contenu secret.

Un minuteur de cuisine tique une fois par seconde. L'étoile à neutrons SRGA J144459.2-604207, elle, tique 448 fois par seconde : c'est sa propre rotation, et elle se fait entendre dans les sursauts de rayons X. En 2024, l'étoile s'est réveillée et a commencé à émettre des explosions thermonucléaires à sa surface, comme une casserole d'eau bouillante qui déborde.

Au cœur des Apennins italiens, sous une épaisse couche de roche, se trouve un cristal qui capture chaque désintégration de l'américium radioactif. L'américium émet des rayons gamma d'une énergie de 59,5 kiloélectronvolts, comme une sonnerie très aiguë qui retentit toujours à l'identique.