Trous noirs

Qu'est-ce qu'un trou noir ?

Un trou noir est un endroit où une grande quantité de masse a été comprimée dans un espace minuscule. Il en résulte une gravité si forte qu'au-delà d'une certaine limite, rien ne peut ressortir, pas même la lumière.

Comme aucune lumière ne s'en échappe, un trou noir est lui-même invisible. On les repère en observant ce qui se passe autour d'eux : des étoiles qui tournent autour de quelque chose d'invisible, ou du gaz qui s'échauffe et brille en spiralant vers l'intérieur.

L'idée est née de la relativité générale d'Einstein, qui décrit la gravité comme une courbure de l'espace et du temps par la masse. Près d'un trou noir, cette courbure devient extrême.

L'horizon des événements

L'horizon des événements est la frontière d'un trou noir. À l'extérieur, un objet assez rapide peut encore s'éloigner. À l'intérieur, la vitesse nécessaire pour s'échapper dépasserait celle de la lumière, que rien ne peut atteindre.

Ce n'est pas une surface solide. Un voyageur ne sentirait rien de particulier en la franchissant, mais à partir de cet instant il n'y aurait plus de retour possible.

La taille de l'horizon dépend de la masse. Pour un trou noir de la masse du Soleil, il ne mesurerait qu'environ 6 km de diamètre. Pour Sagittarius A*, il fait environ 24 millions de km de diamètre, moins que l'orbite de Mercure.

Trous noirs stellaires et supermassifs

Les trous noirs stellaires se forment quand une étoile très massive épuise son combustible et que son cœur s'effondre, en général lors d'une explosion de supernova. Ils pèsent typiquement de 5 à plusieurs dizaines de fois la masse du Soleil. Notre galaxie en contiendrait environ 100 millions, mais seul un petit nombre a été trouvé.

Les trous noirs supermassifs font des millions à des milliards de fois la masse du Soleil et occupent le centre de la plupart des grandes galaxies. Comment ils sont devenus si gros si tôt dans l'histoire cosmique reste une question de recherche très active.

Les astronomes cherchent aussi des trous noirs de masse intermédiaire, entre ces deux familles, et quelques bons candidats ont été signalés.

Sagittarius A*, au centre de notre galaxie

Au cœur de la Voie lactée, à environ 27 000 années-lumière en direction de la constellation du Sagittaire, se trouve un trou noir supermassif appelé Sagittarius A* (prononcé « A étoile »). Sa masse vaut environ 4 millions de fois celle du Soleil.

Son existence a été prouvée en suivant pendant de nombreuses années des étoiles qui tournent autour de lui à toute allure sur des orbites serrées. Reinhard Genzel et Andrea Ghez, qui ont dirigé ces études, ont partagé le prix Nobel de physique 2020 pour ces travaux.

Sagittarius A* est plutôt calme en ce moment. Il n'avale pas beaucoup de matière et ne brille donc que faiblement, comparé aux noyaux éclatants de certaines autres galaxies.

Les premières images

En avril 2019, la collaboration Event Horizon Telescope a publié la première image d'un trou noir : M87*, au centre de la galaxie Messier 87, à environ 55 millions d'années-lumière, d'une masse d'environ 6,5 milliards de Soleils.

L'Event Horizon Telescope n'est pas une seule antenne, mais un réseau de radiotélescopes répartis dans le monde qui travaillent ensemble, et se comportent ainsi comme un télescope de la taille de la Terre.

L'image montre un anneau lumineux de gaz chaud autour d'un centre sombre, l'ombre du trou noir. En mai 2022, la même équipe a publié une image de Sagittarius A*, étonnamment semblable alors qu'il est environ 1 500 fois moins massif. Cette ressemblance est exactement ce que prédit la relativité générale.

Les ondes gravitationnelles

Einstein avait prédit que des masses en mouvement créent des ondulations de l'espace et du temps appelées ondes gravitationnelles. Elles sont incroyablement faibles lorsqu'elles atteignent la Terre.

Le 14 septembre 2015, les deux détecteurs LIGO aux États-Unis ont capté un tel signal pour la première fois. Il provenait de deux trous noirs d'environ 29 et 36 masses solaires qui spiralaient l'un vers l'autre et fusionnaient à environ 1,3 milliard d'années-lumière. La découverte a été récompensée par le prix Nobel de physique 2017.

Depuis, LIGO, Virgo en Italie et KAGRA au Japon ont enregistré des centaines de fusions, faisant des ondes gravitationnelles un nouveau moyen d'étudier les trous noirs.

Idées reçues

Idée reçue : les trous noirs aspirent tout. En réalité, à bonne distance, un trou noir attire exactement comme n'importe quel objet de même masse. Si le Soleil était remplacé par un trou noir de masse égale, la Terre garderait la même orbite, même si elle deviendrait très froide et très sombre.

Idée reçue : les trous noirs sont des aspirateurs cosmiques errant dans la galaxie. Le trou noir connu le plus proche se trouve à plus de 1 500 années-lumière et ne présente aucun danger pour nous.

Idée reçue : les trous noirs sont des trous. Ce sont en fait des concentrations de matière extrêmement denses. Beaucoup tournent sur eux-mêmes, et certains projettent de puissants jets de particules qui s'étendent bien au-delà de leur galaxie hôte.