Trous noirs, une étrangeté cosmique

Les trous noirs sont parmi les objets les plus étranges de l’Univers : ils ont pour horizon un point de non-retour ! En effet, ils sont si compacts et massifs qu’ils engloutissent tout ce qui passe dans leur voisinage (matière, lumière), sans que rien ne s’en échappe. Invisibles, ils laissent néanmoins des traces bel et bien observables dans leur environnement. Ainsi, la trajectoire des étoiles ou divers types de rayonnements témoignent de leur présence. Pour repérer ces empreintes indirectes de l’activité des trous noirs, les scientifiques s’appuient sur des instruments de plus en plus performants qui opèrent depuis la Terre ou l’espace.

En 2015, la détection des ondes gravitationnelles, prédites par Einstein et découvertes par le détecteur américain Ligo, permet d’observer la première collision entre deux trous noirs. En 2019, un nouveau record est battu : un réseau de huit radiotélescopes donne à voir la toute première image d’un trou noir. En septembre 2020, est confirmée l’existence d’une population de trous noirs de masse intermédiaire, de cent à 100 000 fois plus massive que celle du Soleil. Et le mois suivant, c’est la consécration : le 6 octobre 2020, le Prix Nobel de physique est attribué au Britannique Roger Penrose, à l’Allemand Reinhard Genzel et à l’Américaine Andrea Ghez pour leurs travaux décisifs sur les trous noirs.

Troublants trous noirs…

Qu’ils habitent le cœur d’une galaxie ou qu’ils proviennent des restes d’une étoile, les trous noirs intriguent, notamment pour leur fort pouvoir d’attraction.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus extrêmes de l’Univers. Comme leur nom l’indique, ils ne sont pas visibles, mais leurs effets, eux, sont bien perceptibles ! La gravité d’un trou noir est si forte que rien ne peut s’en échapper, pas même la lumière. On appelle « horizon du trou noir » cette limite à partir de laquelle plus rien ne peut en sortir. Imaginé dès la fin du 18^e siècle par les scientifiques John Michell et Pierre-Simon de Laplace, le concept de trou noir prend corps en 1915 avec les lois physiques de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Jusque dans les années 1960-70, les trous noirs sont restés des objets théoriques. Mais ils ont finalement pu être étudiés via l’attraction qu’ils exercent sur les astres environnants et qui révèle leur existence. On connaît aujourd’hui deux grands types de trous noirs : ceux qui occupent le centre des galaxies (dont la nôtre, la Voie lactée) et ceux qui résultent de la fin de vie d’une étoile. Les trous noirs galactiques sont qualifiés de « supermassifs » car ils peuvent atteindre des masses très élevées (jusqu’à plusieurs milliards de fois celle du Soleil). Les trous noirs stellaires (jusqu’à quelques dizaines de fois la masse du Soleil) sont le destin des étoiles les plus massives. À leur mort, celles-ci explosent, un phénomène connu sous le nom de supernova, et leur cœur finit en trou noir. Tout récemment, une autre catégorie de trous noirs a fait son apparition : les trous noirs de masse intermédiaire.

Invisibles mais détectables

Les trous noirs ne laissant pas échapper la lumière, ils sont invisibles. Mais leur présence est trahie par leurs interactions avec ce qui les entoure.

Un trou noir, par définition, est noir. Alors comment le repérer ? En regardant son environnement immédiat ! S’il n’est pas visible, il n’en exerce pas moins une forte influence sur tout ce qui l’entoure. Lorsque cet ogre céleste engloutit de la matière (étoiles, nuages de gaz…), cela ne passe pas inaperçu. À condition d’avoir des satellites adaptés capables de détecter les rayonnements très énergétiques (X ou gamma) qui accompagnent cet engloutissement, ce qui est le cas depuis les années 1970. Autre indice : on peut suivre le mouvement des étoiles proches de la région suspectée, car la présence d’un trou noir doit théoriquement déformer leur orbite et accélérer leur vitesse. C’est ce qui a permis d’affirmer la présence d’un trou noir supermassif (appelé Sagittarius A*) au centre de notre galaxie, la Voie lactée. Depuis, le suivi d’une quarantaine d’étoiles en a précisé la masse : 4 millions de fois la masse du Soleil. Autre exemple d’effet mesurable : le changement de luminosité d’une étoile, qui peut paraître anormalement amplifiée lorsque l’étoile est alignée derrière un trou noir – ce que l’on appelle « effet de lentille gravitationnelle ». On dispose ainsi de preuves indirectes de l’existence des trous noirs, la plus convaincante étant l’observation des ondes gravitationnelles issues de leur collision. De fait, plus on les traque, plus on découvre des trous noirs de toutes sortes (jusqu’à 17 milliards de masse solaire !) et dans des endroits de l’Univers jusque-là insoupçonnés. Dernier exemple en date : le 2 septembre 2020, avec la confirmation de l’existence d’une population de trous noirs de taille intermédiaire. 

Une traque spatiale et terrestre

Une batterie d’instruments, installés au sol ou dans l’espace, a été mise au point pour détecter les traces des trous noirs.

Pour détecter ces astres extrêmement denses qui ne laissent échapper aucune particule de matière ou de lumière, des télescopes sont envoyés en orbite. Ils scrutent l’Univers dans des longueurs d’onde invisibles pour l’œil humain, comme les rayons X ou gamma qui nous renseignent sur les phénomènes les plus violents du cosmos : par exemple, l’éjection de puissants jets de gaz à proximité d’un trou noir. L’observation depuis le sol, qui reste un tour de force tant les trous noirs sont petits à l’échelle cosmique, est de plus en plus performante mais elle ne permet pas de détecter ces rayonnements X ou gamma, car ils sont filtrés par l’atmosphère terrestre. En revanche, il est désormais possible de combiner les données reçues par différents télescopes et d’obtenir une image du ciel d’une résolution nettement supérieure. C’est le cas de l’instrument Gravity de l’Observatoire européen austral au Chili, qui a été spécialement conçu pour l’étude du proche environnement de Sagittarius A*, le trou noir supermassif du centre de notre galaxie. En outre, en 2015, l’instrument Ligo permet la première détection d’ondes gravitationnelles issues de la collision entre deux trous noirs. Depuis, d’autres détections de ce type ont été réalisées. Ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle vision de l’Univers et de ses trous noirs. La traque se poursuit…

Des trous pas tout à fait noirs !

À l’échelle de l’infiniment petit, les trous noirs laisseraient échapper des particules. Ils ne seraient pas totalement étanches.

Du point de vue de la physique théorique, les trous noirs soulèvent un certain nombre de questions. Comme rien n’est censé s’échapper d’un trou noir, l’information portée par la matière pénétrant dans un trou noir est détruite mais les lois du monde microscopique (qu’on appelle la mécanique quantique) nous disent que cette information ne saurait être perdue et doit être conservée d’une manière ou d’une autre. C’est ce qu’on appelle « le paradoxe de l’information ». À partir de cette contradiction, le physicien théoricien britannique Stephen Hawking s’est lancé dans des équations mathématiques de haut vol et annonce, dès les années 1970, que les trous noirs ne sont pas tout à fait noirs ! Selon les lois de l’infiniment petit, ils doivent émettre un rayonnement. Néanmoins, ce dernier est si faible qu’il est inobservable en pratique et surtout il n’explique pas comment l’information portée par la matière engloutie dans le trou noir est conservée. En août 2015, Stephen Hawking (1942-2018), pour qui les trous noirs sont restés un sujet de prédilection, propose une nouvelle explication : les informations captées par les trous noirs seraient conservées sous forme d’hologrammes à leur surface. Mais ce n’est qu’une hypothèse parmi d’autres, certains avançant même l’existence de « trous blancs », qui réceptionneraient cette information. L’enjeu de la compréhension des trous noirs est de taille : ils pourraient permettre de trouver LA théorie qui unifierait la relativité générale avec la mécanique quantique, l’infiniment grand avec l’infiniment petit. Le graal d’un certain nombre de physiciens et cosmologistes du monde entier !