TIl y a vingt ans, Andrea Tiengo était un jeune scientifique qui observait le flux de données provenant d’un télescope spatial lointain. Il surveillait les vagues régulières de rayons X cosmiques balayant l’engin en orbite de la taille d’un bus, relayées à son ordinateur sur Terre.
Un après-midi de décembre, un étrange signal de rayons X est arrivé. « J’ai vu quelque chose comme du brouillard, ou quelque chose de flou, autour de la source ponctuelle », explique Tiengo. Celui-ci avait l’air différent, mais il avait l’air donc différent d’après toute autre observation aux rayons X, il pensait qu’il pourrait s’agir d’un problème avec le matériel. Il se faisait tard et Tiengo décida de rentrer chez lui et d’attendre pour régler le problème demain matin. Cela, dit-il, « était une grave erreur ».
Le lendemain, la lueur n’était plus visible au télescope et d’autres chercheurs, à sa place, avaient fait une grande découverte. Ce signal semblable à un brouillard était le premier anneau de « lumière » de rayons X provenant d’un brillant sursaut de rayons gamma se reflétant sur la poussière à proximité. Il s’agissait d’un écho aux rayons X de l’explosion, une observation que personne n’avait jamais détectée auparavant.
La lumière renvoyée arrive quelques minutes, voire des millénaires plus tard que l’éclat d’origine.
Depuis cette occasion manquée, Tiengo, aujourd’hui astrophysicien à la Scuola Universitaria Superiore IUSS de Pavie, en Italie, a passé les deux dernières décennies à rechercher les échos d’autres explosions cosmiques et à les interpréter. Il s’avère que ces reflets sont des cadeaux semblables à une machine à remonter le temps, un moyen de regarder une rediffusion des sources éclatantes et flamboyantes. Et à partir de cette rediffusion, les astronomes peuvent déchiffrer les détails de l’explosion originale qu’ils n’auraient pas pu découvrir autrement.
Un peu comme la façon dont les chauves-souris et d’autres animaux utilisent le son qui rebondit sur les objets et leur revient pour comprendre leur environnement, les astronomes peuvent utiliser des impulsions d’énergie lumineuse (dont la totalité n’est pas dans la plage visible) qui rebondissent sur la matière de l’univers. Certains types de lumière, comme les ondes radio, traversent simplement le matériau au lieu de se disperser. Mais d’autres types, y compris les rayons X et la lumière visible provenant de l’explosion d’une étoile – ou toute source de lumière cosmique changeante comme une étoile qui s’éclaire ou un trou noir rotant – rebondissent sur la poussière intermédiaire en route vers nos yeux et nos télescopes.
Cette lumière en écho finit par emprunter un chemin plus long jusqu’à la Terre, arrivant quelques minutes, voire des millénaires plus tard que le signal d’origine. La durée du délai dépend de la quantité de lumière qui parcourt et rebondit sur son chemin vers la Terre. Et à partir de ces signaux de seconde main, les astronomes peuvent commencer à reconstruire l’explosion stellaire, rembobiner les événements qui y ont conduit et cartographier la matière qui se trouve entre elle et nous.
Même si l’étude de ces échos lointains s’est développée au cours des vingt dernières années, son histoire remonte bien plus loin.
jeEn février 1901, les astronomes ont aperçu une brillante « nouvelle étoile », ou nova, dans le ciel. Cette étoile, Nova Persei, s’était éclaircie temporairement après une explosion à sa surface. Cet éclair de lumière visible de plusieurs jours s’éloignait de l’étoile et rebondissait autour des nuages à proximité. Plus tard la même année, des observateurs ont repéré un brouillard autour de l’étoile : des échos lumineux.
Ce type d’événements crée des sources idéales d’échos lumineux pour l’étude. Et notre ciel en héberge des tas. Ou l’a fait, au fil des siècles.
En novembre 1572, on aurait dit qu’une nouvelle étoile brillante était soudainement apparue dans le ciel. Vu par beaucoup et visible à l’œil nu, il a été décrit de manière plus détaillée par Tycho Brahe, astronome danois– et ensuite surnommée la supernova de Tycho. Au cours du siècle suivant, la lumière d’une autre supernova, Cassiopée A, est arrivée sur Terre. La lumière originelle des explosions catastrophiques de ces anciennes étoiles s’est dissipée depuis longtemps, mais leurs échos nous envahissent désormais. Ce sont les paysages rayonnants sur lesquels Armin Rest, astronome de l’Université Johns Hopkins, entraîne sa concentration. Grâce à eux, dit-il, « nous pouvons remonter le temps ».
Dans ces échos, il a découvert des modèles d’informations imprimées : des couleurs spectrales manquantes qui correspondent à des molécules et des éléments spécifiques. Il s’agit du même schéma que celui publié par la source originale, et voir un écho plus tard signifie que les astronomes peuvent prendre du recul et reconstruire les détails de l’événement original. Et parce que souvent, ils ne voient pas un seul écho mais plusieurs échos au fil du temps, ils peuvent observer l’évolution de l’explosion stellaire.
Grâce à des échos fonctionnant comme des sortes de portails vers un passé lointain, Rest et ses collègues ont pu observer l’explosion d’une supernova et peindre un tableau de comment ça a explosé. Nous n’avons pas pu observer une étoile exploser en temps réel, et les modèles informatiques ont encore du mal à obtenir les bons détails. Ainsi, rejouer l’explosion avec les échos retardés permet aux astronomes de jeter un coup d’œil sur les moments cruciaux.
Même les échos les plus récents ont beaucoup à nous apprendre. Le 9 octobre 2022, le sursaut gamma le plus brillant jamais détecté, a inondé la Terre de ses rayons. Alors que sa lumière originale en rayons X aveuglait la plupart des télescopes, faisant immédiatement la une des journaux à travers le monde, l’énergie lumineuse brillante a rebondi sur les nuages de poussière à proximité et a donné à Tiengo et à ses collègues des anneaux de écho de cette émission de rayons X quelques jours plus tard. Au cours du mois suivant, le satellite XMM-Newton avec lequel il travaille a capturé 20 anneaux, tous entourant le site de l’explosion originale.
« Chaque anneau, dit Tiengo, est le véhicule de la même émission » et porte l’empreinte de l’éclatement. En étudiant l’empreinte spectrale de ces anneaux, les astronomes ont reconstitué les détails de l’éclair original : ils ont pu voir dans le passé et observer un éclat qui n’aurait pas pu être observé autrement. Selon Tiengo, sur ces 20 anneaux, ils voient un soupçon de quelque chose de surprenant dans l’explosion, qui a libéré plus de rayons X mais avec des énergies plus faibles que prévu. Des indices alléchants qu’eux et d’autres scientifiques continueront de chercher à mieux comprendre comment vivent et meurent les étoiles massives.
Nous voyons la lumière du dernier en-cas de notre trou noir comme un écho, des centaines d’années plus tard.
D’autres groupes d’astronomes utilisent des échos lumineux pour étudier certains des monstres cosmiques les plus mystérieux de l’univers. Shuo Zhang, de l’Université d’État du Michigan, reconstitue l’histoire des explosions du trou noir supermassif au centre de notre galaxie. Ce monstre, Sagittaire A*, ou Sgr A* en abrégé, est aujourd’hui silencieux comparé aux bêtes tumultueuses des centres d’autres galaxies. Mais les reflets de lumière sur les particules de matière au cœur de notre galaxie impliquent que Sgr A* a eu un passé plus actif et plus bruyant.
Zhang a combiné une vingtaine d’années d’images aux rayons X provenant de nuages géants de gaz moléculaires, des blobs qui, dit-elle, « sont l’enregistreur parfait de toutes les explosions passées dans le centre galactique ». Une telle explosion fait suite au trou noir grignotant un flux de gaz, une étoile malchanceuse ou tout autre matériau s’approchant trop près de la forte gravité de Sgr A*. Avant d’être ingérée, la collation s’étire et tourbillonne autour du trou noir, en spirale à sa périphérie. Ces mouvements tumultueux crachent de la chaleur et des rayons X qui frappent les molécules des nuages de gaz géants à proximité. La lumière donne une partie de son énergie au gaz contenu dans les nuages, les rendant ainsi lumineux. Mais certains rayons X ne sont pas absorbés et rebondissent sur les particules du nuage, comme la lumière du soleil rebondissant sur la surface ondulante d’un lac. Le détour de cette lumière rebondissante lui donne un chemin plus long et retardé vers nos télescopes. Ainsi, les télescopes d’aujourd’hui voient la lumière retardée libérée lors du dernier grignotage tourbillonnant de notre trou noir comme un écho, des centaines d’années plus tard.
Les échos que Zhang et ses collègues ont suivis au fil des années, en plus d’autres données radiologiques de différentes équipes, montrent que le trou noir central de notre galaxie était plus actif il y a environ 200 ans. Les scientifiques continueront d’observer l’évolution des échos des nuages de gaz au cours des prochaines années. Ils recherchent les échos pour se calmer, ce qui leur dira combien de temps le trou noir a brillé.
M.Une grande partie de la détection de ces échos se fait encore à l’ancienne, par des humains se précipitant sur les enquêtes, plissant les yeux à la recherche du léger brouillard ou des anneaux que les grands événements cosmiques laissent derrière eux.
Mais cela va changer au cours des prochaines années. “Nous inaugurons bientôt l’ère des études dans le domaine temporel”, déclare Erin Kara, astrophysicienne au MIT, décrivant la nouvelle approche qui permettra de cartographier rapidement le ciel et de révéler des changements infimes. Kara, qui utilise les échos lumineux pour étudier les parties les plus intérieures de l’environnement d’un trou noir, note que cela sera essentiel pour trouver des échos plus rayonnants dans l’univers.
Les projets à venir, comme l’observatoire Vera C. Rubin, dont le début des opérations est prévu en janvier 2025, et son Legacy Survey of Space and Time collecteront simultanément de la lumière dispersée sur de vastes pans du ciel et reviendront fréquemment à la même vue. Des programmes informatiques complexes soustraient des images pour rechercher des changements, comme des variations de luminosité qui pourraient entraîner des reflets de lumière et des arcs de lumière brumeux qui se déplacent d’une image à l’autre, indications d’écho. D’autres projets futurs, tels que la sonde Einstein Chine-Europe, utiliseront un perchoir au-dessus de notre planète et de nouvelles technologies. inspiré des yeux de homard pour capturer une zone encore plus large du cosmos. Grâce à ceux-ci et à d’autres, les scientifiques remonteront dans le temps et découvriront comment ces événements cosmiques spectaculaires se sont déroulés.
Ce travail adopte une vision large. “Il est toujours préférable d’avoir plus de photons que moins”, explique Tiengo, surtout lorsque vous recherchez les faibles murmures des éruptions cutanées venant de l’espace et du temps. 
Image principale : NASA/CXC/U. Wisconsin/S. Heinz
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