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Au sous-sol du laboratoire, un aimant de 8 teslas bourdonne. À l'intérieur, tel une cloche dans un clocher, est suspendu un cylindre creux en cuivre, accordé sur une note unique. Si un axion, particule de matière noire, venait à passer à proximité, le cylindre répondrait par un tintement faible.

Un globe repose sur une table, une règle à côté : l'une est courbe, l'autre est droite. Les télescopes à rayons X vivent depuis des années avec cette incohérence. Leurs miroirs concentrent la lumière sur une surface incurvée, comme un globe, tandis que les détecteurs qui capturent cette lumière étaient plats, comme une règle.

Le faisceau d'un microscope électronique voyage habituellement dans le vide, comme un coursier sur une autoroute déserte. Toute molécule d'air est pour lui une bosse qui le fait tressauter et perdre sa direction. C'est pourquoi, auparavant, pour examiner un échantillon, on le congelait, le séchait ou le recouvrait de métal, et on ne regardait toujours que sous vide.

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 ciel nocturne est plein de lumières trompeuses. Les astronomes cherchaient des galaxies qui se sont allumées dans les premiers centaines de millions d'années après le Big Bang — leur lumière nous est parvenue pendant près de 13 milliards d'années. Six taches faibles ont été sélectionnées à partir d'images des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer.

Le faisceau d'un synchrotron, c'est comme un jet d'eau sortant d'un tuyau d'arrosage : large et peu pratique pour le travail de précision. Pour examiner un échantillon minuscule, il faut une aiguille fine, pas un tuyau.

L'Univers ressemble à une immense charpente invisible. Nous ne la voyons pas directement, mais nous savons qu'elle existe : c'est grâce à elle que les galaxies et les amas tiennent ensemble. Cette charpente, c'est la matière noire. La version la plus populaire dit qu'elle est « froide » et qu'elle est constituée de particules lourdes et lentes.

Mai 2022. Le polarimètre spatial IXPE, le spectroscope NuSTAR et le moniteur NICER fixent simultanément le même point du ciel — le trou noir du système Cygnus X-1, où il orbite autour d'une supergéante bleue dans une binaire serrée avec une période de 5,6 jours.

Quatre faibles traits sur l’image — tout ce que voit l’astronome. Ainsi, un sculpteur restaure la forme d’un verre invisible à partir de quatre ombres.

Au cœur de l'immense galaxie Hydra-A, ça bouillonne. Un trou noir supermassif éjecte deux puissants jets de plasma – des jets relativistes. Ils percent le nuage de gaz surchauffé environnant et y gonflent des bulles géantes.

Le dichroïsme circulaire magnétique des rayons X est un outil précis qui permet depuis longtemps de séparer les moments magnétiques de spin et orbitaux. Cependant, l'approche classique revient à évaluer un orchestre par son volume sonore : elle s'appuie sur des règles de somme qui réduisent toute la structure fine du spectre à une paire d'intégrales.

L'Univers est un gigantesque labyrinthe de miroirs déformants. La masse des galaxies et des amas dévie la lumière des quasars lointains, comme pour jouer avec notre perception du cosmos. Dans cette salle des miroirs se cache la clé du plus grand mystère : l'énergie noire, qui accélère l'expansion de l'espace.

Une minuscule étoile tourne autour d'un trou noir géant en rotation. Peu à peu, elle s'en rapproche en spirale, et cette danse dure des milliers d'années. Pendant tout ce temps, des ondes se propagent dans l'espace — comme des ronds dans l'eau, mais ce sont des ondes gravitationnelles. On peut les « entendre » avec des détecteurs spéciaux.

Un laser puissant frappe le diamant comme un marteau de forgeron. Seule l'enclume est la matière elle-même. Le choc ne dure qu'un instant, mais engendre une pression un million de fois supérieure à la pression atmosphérique.

Un tuyau d'incendie qui frappe un tas de neige. L'eau ne se contente pas de repousser la neige — là où elle frappe, naissent des éclaboussures, de la vapeur et un fracas. C'est à peu près ce qui se passe avec les jets — d'étroits flux de matière éjectés à grande vitesse des environs d'un trou noir.

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 la galaxie NGC 3583, les télescopes ont enregistré une source de rayons X inhabituelle : sa luminosité augmente brusquement par périodes, puis s'éteint presque complètement.

Une ville géante de plusieurs milliers de galaxies est enveloppée d'un nuage invisible de gaz surchauffé. Ce gaz est comme l'air d'une pièce : il peut être calme ou agité par des courants d'air. Les astronomes ont pointé un « thermomètre » à rayons X dernier cri vers cette ville – l'amas Abell 1795 – et ont mesuré la vitesse à laquelle le gaz s'y déplace.

Écouter l'espace, c'est s'armer de patience et affiner son oreille. Les astronomes ont choisi pour cela l'instrument basse fréquence le plus sensible : le réseau d'antennes OVRO-LWA – 352 antennes dipôles réparties sur deux kilomètres et demi dans le désert californien.

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.

Lorsqu'une planète passe derrière le bord de son étoile, celle-ci éclaire son atmosphère — tout comme le soleil couchant illumine les nuages à l'horizon. Cet instant fugace, qui ne dure que quelques minutes, porte l'empreinte des gaz traversés par la lumière stellaire.

Le faisceau d'une lampe de poche traversant un verre dépoli se transforme en une tache floue à chaque millimètre d'épaisseur supplémentaire. C'est à peu près ce qui se passe avec les scintillateurs, ces matériaux qui convertissent les rayons X en lumière visible.

La matière noire est invisible, mais sa gravité régit le mouvement des galaxies. De quoi est-elle composée ? C'est une énigme. Une idée : ce sont des particules ultra-légères, semblables aux axions.

Un phare qui change de couleur à chaque éclat en cadence avec sa rotation — c'est ainsi qu'on pourrait décrire ce que les astronomes ont vu en pointant le tout nouveau télescope à rayons X XRISM sur le pulsar Hercule X-1. Cet objet est une étoile à neutrons qui arrache de la matière à une étoile ordinaire voisine.

Le vent solaire — un flux de particules chargées venant du Soleil — percute le gaz ténu qui remplit l'espace entre les étoiles. De cette collision naît une faible émission de rayons X. Pour les astronomes, c'est comme un brouillard devant les phares : il empêche de distinguer les objets lointains.

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.

Une poignée de pièces de monnaie accélérée jusqu'à un cinquième de la vitesse de la lumière. Voilà à quoi ressembleront les sondes interstellaires Coracle : de minuscules engins de quelques grammes, chacun muni d'une pellicule de voile très fine.

La roche chaude et le sable froid se refroidissent différemment la nuit. Un instrument en orbite autour de Mars mesure cette chaleur, et grâce à elle, on peut savoir de quoi est faite la surface — poussière meuble, croûte dense ou roche. Mais les images thermiques ont une résolution de 100 mètres par point : un stade de football entier tient dans un seul pixel.

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.

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.

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.

Au centre de la lointaine galaxie MCG-6-30-15 se trouve un trou noir supermassif. Autour de lui tourne un disque de gaz incandescent, et au-dessus du disque flotte un nuage de particules encore plus chaudes — la couronne. En février 2024, trois télescopes à rayons X — XRISM, NuSTAR et XMM-Newton — ont observé ce système simultanément.

Le centre de notre Galaxie est une cuisine bondée où plusieurs plats mijotent en même temps, et la vapeur se mêle en un seul nuage. Les rayons X du rémanent d'une étoile explosée, du vent stellaire autour du trou noir supermassif et du gaz chaud entre les étoiles se superposent.

Dans les premiers centaines de millions d'années après le Big Bang, le cosmos ressemblait à un club de jeunes bruyant : les galaxies s'allumaient, entraient en collision, et formaient des étoiles par centaines.

Lorsqu'une exoplanète masque brièvement son étoile, la lumière stellaire traverse son atmosphère et en absorbe la saveur chimique. Cette technique — la méthode du transit — est au cœur du travail du télescope James Webb.

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.