Fascinants trous noirs

Un trou noir est une région de l’espace où la gravité est si intense que rien ne peut s’en échapper, pas même la lumière. Leur nom vient de cette propriété : ils sont « noirs » car ils n’émettent en théorie aucun rayonnement électromagnétique. Ils naissent généralement de l’effondrement gravitationnel d’étoiles massives en fin de vie, ou se forment au cœur des galaxies, atteignant des masses colossales, parfois des milliards de fois celle du Soleil.

La frontière d’un trou noir s’appelle l’horizon des événements. Cette frontière correspond à la distance R où la vitesse de libération v = racine(2GM/R) atteint la vitesse de la lumière. Une fois franchie vers l'intérieur du trou noir, tout objet ou information est perdu à jamais pour l’univers observable. Au centre se cache une singularité, un point où la densité devient infinie et où les lois de la physique classique cessent de s’appliquer.

La découverte des trous noirs est le résultat d’un long processus théorique et observationnel ; voici les étapes clés et les figures importantes :

1. Les précurseurs théoriques

• John Michell (1783) : Ce clergyman et scientifique britannique est le premier à imaginer l’existence d’objets si massifs que leur vitesse de libération dépasserait celle de la lumière, en utilisant les lois de Newton. Il utilise le terme d’« étoiles noires ». L’aspect corpusculaire de la lumière était alors privilégié.
• Pierre-Simon Laplace (1796) : Dans son ouvrage Exposition du système du monde, l’astronome français reprend l’idée de Michell et décrit des corps célestes invisibles, qu’il appelle « corps obscurs ».

2. La relativité générale et la formalisation moderne

• Albert Einstein (1915) : Sa théorie de la relativité générale décrit comment la matière courbe l’espace-temps, posant les bases mathématiques pour comprendre les trous noirs.
• Karl Schwarzschild (1916) trouve la première solution exacte des équations d’Einstein décrivant un trou noir incluant la notion de rayon de Schwarzschild (l’horizon des événements) qui se trouve avoir la même valeur que celle donnée par la mécanique classique.

3. Le terme « trou noir » et la reconnaissance scientifique

• Le physicien américain John Archibald Wheeler popularise dans les années 1960 le terme « trou noir » (black hole), qui s’impose dans la communauté scientifique.
• Roger Penrose et Stephen Hawking (années 1960-1970) : Leurs travaux sur les singularités et l’évaporation des trous noirs (rayonnement de Hawking) ont révolutionné notre compréhension de ces objets.

4. La confirmation observationnelle

Aussi étranges qu'ils paraissent, les trous noirs existent vraiment et ne sont pas qu'un concept théorique.

• Cygnus X-1 (1971) est le premier trou noir stellaire identifié, grâce aux observations en rayons X. Voir la page décrivant la constellation du Cygne.
• Event Horizon Telescope (2019) : La première image d’un trou noir (M87*) est publiée, confirmant directement leur existence. Celle du trou noir au centre de notre galaxie, Sagittarius A*, date de 2022 :

Comment les observe-t-on ?

Puisqu’ils n’émettent aucune lumière, les trous noirs sont détectés indirectement, par leur influence sur leur environnement. En particulier, ils peuvent être à l’origine d’effets de lentille gravitationnelle (voir la page dédiée à ce sujet) et déformer l’image du fond de ciel en arrière-plan.

Les astronomes étudient aussi les disques d’accrétion – des nuages de gaz et de poussière tournant autour des trous noirs, chauffés à des millions de degrés – ou les jets de plasma relativistes qu’ils projettent à des vitesses proches de celle de la lumière.

Il ne faut pas confondre les trous noirs et la matière noire (dark matter). Cette dernière, qui serait constituée de particules invisibles présentes dans tout l'univers, est une hypothèse avancée par les astrophysiciens pour expliquer pourquoi le mouvement de rotation de la plupart des galaxies n'est pas conforme aux lois de la gravité. Ces particules massives mais totalement transparentes aux ondes électromagnétiques dont la lumière, n'ont jamais été observées directement, en laboratoire comme dans l'espace.

Les différents types de trous noirs

• Trous noirs stellaires : Relativement nombreux, ils résultent de l’effondrement d’étoiles très massives (plus de 20 fois la masse du Soleil).
• Trous noirs supermassifs : Situés au centre des galaxies, leur masse peut atteindre plusieurs dizaines de milliards de masses solaires. Leur origine reste un mystère. La masse de Sagittarius A* a été mesurée à 4,3 millions de masses solaires.
• Trous noirs intermédiaires : Plus rares, leur masse se situe entre 100 et 100 000 masses solaires.
• Trous noirs primordiaux : Hypothétiques, ils pourraient s’être formés peu après le Big Bang.

Les trous noirs et la relativité générale

La théorie d’Einstein prédit l’existence des trous noirs et permet de décrire leur comportement. Le rayon de Schwarzschild Rs = 2GM/c² est directement proportionnel à la masse du trou noir ; pour une masse solaire, ce rayon vaut 3 km. G est la constante de gravitation = 6,67.10^-11 m³.kg^-1.s^-2.

A l’extérieur de l’horizon des événements, le trou noir se comporte comme toute étoile massive vis-à-vis de son environnement. Cependant, les gradients de champ gravitationnel très intenses conduisent à des effets de marée qui peuvent disloquer les corps passant à proximité. D’autre part, le temps ralentit fortement jusqu’à s’arrêter sur ce fameux horizon ; cela se traduit par un décalage significatif vers le rouge de toute source lumineuse qui s’en approche.

Les trous noirs issus de l’effondrement d’une étoile sont pour la plupart en rotation très rapide et « entraînent » l’espace-temps autour d’eux. Cette déformation perturbe le mouvement des corps soumis à leur attraction, ainsi que la propagation de la lumière.

La métrique a été décrite en 1963 par le mathématicien Roy Kerr. La structure du trou noir en rotation est plus complexe avec plusieurs horizons des événements ; d’autre part la singularité au centre n’est plus un point mais un anneau.

L’étude de ces objets pousse les physiciens à chercher une théorie unifiant relativité générale et mécanique quantique, notamment pour comprendre ce qui se passe réellement à l’intérieur d’un trou noir car les singularités (les valeurs infinies) n’existent pas en physique.

Les récentes détections d’ondes gravitationnelles par les interféromètres LIGO et Virgo ont ouvert une nouvelle fenêtre sur l’univers, révélant des fusions de trous noirs à des milliards d’années-lumière. L’événement GW150914 détecté le 14 septembre 2015 par LIGO correspond à la fusion de deux trous noirs de 29 et 36 masses solaires, formant un trou noir de 62 masses solaires. L’énergie équivalente à 3 masses solaires a été convertie en ondes gravitationnelles en une fraction de seconde ! Ce sont les événements les plus violents de l’univers.