Les trous noirs

Dis papa, c'est quoi un trou noir ? 🤔

La question est toute simple, mais combien de parents sauront répondre judicieusement ?

Pour ne pas avoir l'air d'un nigaud, on va répondre un truc du genre : "c'est un objet tellement lourd que même la lumière ne peut s'en échapper".

Mouais, c'est pas faux, mais ça n'explique toujours pas pourquoi…

Quel rapport y a t'il entre le poids, ou plutôt la masse, et la lumière ?

Intrigué ? Ok aujourd'hui on parle des troublants trous noirs 😅 (désolé pour la blague à 2 balles)…

La genèse :

Le premier scientifique à théoriser l'existence des trous noirs mais en se trompant sur leur fonctionnement physique est le révérend et astronome britannique John Michell en 1783.

John Michell

Le mathématicien français Pierre-Simon de Laplace arrive indépendamment aux mêmes conclusions en 1796. À l'époque, ils avaient baptisé ces objets théoriques des « étoiles sombres » (ou dark stars).

Bien que partis sur une erreur de compréhension, leur intuition était très bonne !

En utilisant la physique de Newton, Michell calcule que si une étoile est 500 fois plus massive que le Soleil, sa force gravitationnelle doit être si immense que sa vitesse de libération doit dépasser la vitesse de la lumière. Il en déduit que la lumière ne pourrait pas s'en échapper, rendant l'astre invisible. Son concept est que la gravité freine ces particules de lumière comme des boulets de canon tirés vers le ciel qui finissent par ralentir puis retomber.

Il n'est vraiment pas loin mais, ce n'est pas la gravité qui freine la lumière puisqu'elle n'a pas de masse et sa vitesse dans le vide est une constante absolue. En 1796, non seulement la vitesse de la lumière est encore mal connue mais elle ne deviendra une constante qu'en 1905 !

Devant l'impossibilité de prouver l'existence des étoiles sombres à l'époque, Laplace retire cette idée des éditions ultérieures de son livre et le concept tombe dans l'oubli pendant plus d'un siècle.

Qu'est-ce qu'un trou noir ?

Si vous jetez une balle en l'air, elle retombe. Jetez-là plus fort, elle retombe encore, attirée vers le sol par la gravité terrestre.

Cette gravité est une force exercée par la masse de la terre : tous les corps s'attirent mutuellement. Et cette attraction est proportionnelle à la masse des corps. La terre (qui a une masse infiniment plus importante que tout autre objet se trouvant à sa surface) exerce donc sa force d'attraction, attirant à elle tout ce qui se trouve jusqu'à une certaine distance.

C'est cette force qui fait que la balle retombe au sol, invariablement...

Ça, vous le saviez déjà.

Question : y a t'il une vitesse au delà de laquelle la balle pourrait s'affranchir de l'attraction terrestre et ne jamais retomber ? Réponse : oui. Mais pour cela, il faut la lancer avec une énergie (cinétique) qui doit être supérieure à l'énergie gravitationnelle exercée par la terre. Cette limite critique s'appelle la vitesse de libération.

La vitesse de libération ne dépend que de 2 variables : la constante gravitationnelle (qui dépend de la masse) de la planète et son rayon. Le poids de la balle (ou de n'importe quoi) n'intervient pas dans le calcul. Peut-on calculer cette vitesse ? Oui. Je vous fais grâce de la formule (étonnamment très simple) et des calculs, amusons-nous plutôt à comparer la valeur de cette vitesse de libération pour quelques objets familiers :

• Pour la terre, la vitesse de libération vaut 11.2 km/s. Pas km/h bien sûr, km/secondes. C'est vraiment beaucoup : ça fait 40.400 km/h ! Aucun risque que vous parveniez à envoyer la balle sans qu'elle ne retombe sur terre. 😄

• Pour la lune, la vitesse de libération est plus faible : 2,4 km/s ou 8.600 km/h (normal, la lune est plus petite et moins dense que la terre).

  C'est pour cette raison qu'il est envisagé de faire décoller les fusées à destination de Mars depuis la lune. Ça coûte 4.7 fois moins cher en carburants.

• Pour Mars, la vitesse de libération est de 5 km/s ou 18.000 km/h.

• Pour le soleil elle est de 617 km/s ou 2.223.000 km/h.

On voit bien que plus l'objet est massif, plus sa vitesse de libération est importante.

Lune 2.4, Mars 5, Terre 11.2 et soleil 617 km/s.

Ok, maintenant, imaginez un objet qui aurait la masse du soleil, mais un rayon de seulement 3 km, soit 6 km de diamètre. Si si, ça existe ! Si on calcule la vitesse de libération à la surface de cet objet, on trouve une vitesse époustoubouriffante de 515.000 km/s. 😲

Là normalement, vous tombez de votre chaise. Quoi, il n'y a rien qui vous choque ? Je vous donne un coup de main : Vous connaissez la vitesse de la lumière ? 300.000 km/s.

Voilà, vous venez de comprendre, c'est ça le truc : la vitesse de libération à la surface de cet objet est supérieure à la vitesse de la lumière. Je répète tellement c'est dingue : un trou noir, c'est un objet dont la vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière. Et l'on sait (merci Einstein) que rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière. Voilà pourquoi la lumière, et encore moins la matière, ne peut s'en échapper.

Les astrophysiciens pensent qu'au moins 1 trou noir se trouve au cœur de chaque galaxie. Notre galaxie, la voie lactée, héberge un trou noir supermassif dans la région de Sagitarius A* (prononcer A étoile).

Pour vous faire comprendre à quel point il est nécessaire d'avoir une densité de dingue pour transformer un objet ordinaire en trou noir, je vais vous donner quelques échelles de comparaison :

On a dit qu'un objet de la masse du soleil devrait faire 6 km de diamètre pour être un trou noir, mais le soleil, on ne se rend pas compte à quel point il est immense. Plus proche de nous on pourrait dire que la masse de la terre devrait être contenue dans une bille d'un diamètre de 18 mm. Et cette bille pèserait le poids de la terre !

Pour vous donner une idée de la densité de matière au sein d'un trou noir, (vous n'êtes pas prêt) dites-vous qu'une cuillère à soupe de cette matière pèse 20 milliards de tonnes ! 

Je sais, notre cerveau n'arrive pas ingurgiter ça... 😲

Plusieurs catégories de trous noirs :

Cela dit, un trou noir, ce n'est ni un trou, ni noir ! C'est au contraire comme on vient de le dire, un astre composé de matière, beaucoup de matière, donc très massif, tellement massif et tellement dense que la force de gravitation qu'il exerce autour de lui est titanesque. Au point d'attirer vers lui et d'absorber tous les objets qui passent à sa portée. Mais cette portée est (heureusement) limitée. Il existe une frontière (l'horizon des évènements) en dehors de laquelle vous restez maître de votre vaisseau, vous pouvez vous diriger où bon vous semble. Mais si vous franchissez cet horizon des évènements (immatériel et invisible), vous êtes foutus ! Quelle que soit la puissance de votre vaisseau, vos atomes vont se mélanger à ceux du trou noir. Façon mixer !

Vous l'aurez deviné, des astres qui présentent une telle densité ne sont heureusement pas très courant.

Il y a plusieurs types de trous noirs.

• les trous noirs stellaires sont les plus "petits". Ils font entre 3 à 100 fois la masse de notre soleil. Ils naissent de l’effondrement d’une étoile très massive en fin de vie (lors d'une supernova). Il y a des millions de trous noirs stellaires rien que dans notre galaxie.

• les trous noirs supermassifs sont des géants de millions ou de milliards de masse solaire. Ils se trouvent au cœur de la plupart des grandes galaxies, comme Sagittarius A* au centre de la Voie lactée. Leur origine exacte reste encore mystérieuse. Explication au paragraphe suivant.

• les trous noirs intermédiaires  pèsent entre 100 et 100.000 masses solaires. Longtemps recherchés comme le « chaînon manquant » entre les deux catégories précédentes, leur découverte est très récente.

• les trous noirs primordiaux sont des objets hypothétiques. Selon la théorie, ils se seraient formés juste après le Big Bang sous l'effet de fluctuations de densité de l'univers primitif. Leur taille pourrait varier de microscopique à massive.

Le paradoxe des trous noirs supermassifs :

L'origine des trous noirs supermassifs est un grand mystère car ils sont apparus beaucoup trop tôt dans l'histoire de l'Univers pour présenter une telle masse en étant aussi "jeunes".

Un objet devient un trou noir parce qu'il absorbe de la matière. Beaucoup. C'est un process qui prend du temps. Beaucoup.

Comparaison parlante : il faut une vingtaine d'années pour passer du bébé qui vient de naître à un adulte. Mais là, on a des bébés (des trous noirs) qui sont adultes à l'âge de 5 ans (quelques centaines de millions d'années).

Selon les modèles classiques, quelques centaines de millions d'années ne sont pas suffisantes pour qu'un trou noir grandisse autant par simple absorption de matière. Il faut trouver une autre explication.

Le problème de la vitesse de croissance

Pour comprendre ce paradoxe, il faut analyser les 2 limites de la croissance d'un trou noir :

• Le manque de temps : En respectant la limite de vitesse de croissance, un trou noir né de la mort d'une première étoile (environ 100 masses solaires) aurait mis plusieurs milliards d'années pour devenir supermassif. Or, Les télescopes spatiaux (comme James-Webb) révèlent des monstres de plusieurs milliards de masses solaires datant d'à peine quelques centaines de millions d'années après le Big Bang. 🤔

• La limite d'Eddington : Un trou noir ne peut pas avaler de la matière à l'infini. En tombant vers le trou noir, la matière surchauffe et rayonne une lumière intense. Cette pression de radiation repousse le gaz environnant, ce qui freine et limite le "repas" du trou noir.

  
  

Trois hypothèses pour résoudre le mystère

Les astrophysiciens s'affrontent aujourd'hui autour de trois scénarios principaux pour expliquer cette croissance ultra-rapide :

• L'effondrement direct : D'immenses nuages de gaz primitifs se seraient effondrés directement sur eux-mêmes sous l'effet de la gravité, sans passer par l'étape "étoile". Cela aurait créé d'un coup des trous noirs de 10.000 à 100.000 masses solaires, leur donnant une avance considérable.

• La croissance hyper-critique : Les premiers trous noirs stellaires auraient trouvé des moyens de contourner la limite d'Eddington. En étant plongés dans des courants de gaz extrêmement denses et froids, ils auraient avalé de la matière en continu à un rythme effréné.

• L'origine primordiale : Les trous noirs supermassifs ne seraient pas nés d'étoiles, mais se seraient formés directement pendant le Big Bang, lors des premières fractions de seconde de l'Univers, suite à d'immenses fluctuations de densité.

Comment détecter les trous noirs alors qu'ils sont invisibles ?

A ce stade, vous vous demandez certainement comment on peut ne serait-ce que savoir que les trous noirs existent, puisqu'ils sont invisibles. Et à fortiori mesurer leur masse ?!

Alors invisibles oui, mais indétectables : non !

Si vous lâchez un objet que vous tenez dans la main, vous savez parfaitement ce qui va arriver. L'objet ne va pas aller s'écraser au plafond ni foncer tout droit dans la baie vitrée. Qu'il soit lourd ou léger, petit ou gros, il va juste tomber au sol. Invariablement. Vous le devinez parce que vous savez que la gravité terrestre attire tous les objets, vous y compris, vers le centre de la terre, donc vers le sol.

C'est un peu ce même raisonnement qui nous permet de, non pas voir, mais détecter la présence de trous noirs. Les astrophysiciens ont développé 4 méthodes pour y parvenir.

1. Le festin de matière (Rayons X)

C'est la méthode historique la plus courante pour repérer les trous noirs stellaires. Lorsqu'un trou noir est trop proche d'une étoile, sa gravité aspire le gaz de sa compagne.

• Ce gaz ne tombe pas en ligne droite : il tourbillonne et forme un disque d'accrétion.

• À cause de la friction et de la vitesse extrême, ce disque surchauffe à des millions de degrés.

• Il se met alors à briller intensément sous forme de rayons X. Ce sont ces signaux très énergétiques que capturent nos satellites spatiaux.

2. La danse des étoiles (Effet gravitationnel)

Découverte en Août 2026, S301 tourne autour de rien à 8% de la vitesse de la lumière ! La seule explication est un trou noir.

Même s'il ne "mange" rien, un trou noir trahit sa présence par sa force d'attraction.

• Dans les systèmes binaires : On observe parfois une étoile seule dans l'espace qui semble osciller ou tourner frénétiquement autour d'un point qui semble vide. En mesurant la trajectoire et la vitesse de l'étoile visible, on peut calculer la masse du compagnon invisible. La mission Gaia de l'ESA excelle dans cette détection.

• Au centre des galaxies : C'est ainsi qu'on a découvert Sagittarius A*. En suivant pendant des décennies les orbites ultra-rapides des étoiles au cœur de la Voie lactée, on a prouvé qu'elles tournaient autour d'un monstre invisible.

3. Les loupes cosmiques (Microlentille gravitationnelle)

Cette méthode permet de débusquer les trous noirs solitaires, qui errent au milieu de nulle part sans aucune étoile à dévorer.

• Selon la relativité générale d'Einstein, la masse d'un trou noir courbe l'espace-temps.

• Si un trou noir passe exactement entre la Terre et une étoile lointaine, sa gravité va agir comme une loupe (une lentille gravitationnelle).

• Depuis la Terre, on voit la lumière de l'étoile d'arrière-plan s'amplifier brusquement puis diminuer. C'est l'analyse de cette variation lumineuse qui confirme le passage du trou noir.

4. Les vibrations de l'espace (Ondes gravitationnelles)

Parfois, deux trous noirs se tournent autour et finissent par entrer en collision à des vitesses proches de la lumière.

• Cet événement ultra-violent fait trembler le tissu même de l'espace-temps, propageant des vagues d'énergie appelées ondes gravitationnelles.

• Des observatoires au sol ultra-sensibles, comme LIGO et Virgo, mesurent ces infimes vibrations de l'espace à leur passage sur Terre. Cela permet de reconstituer l'histoire et la masse des monstres qui ont fusionné.

5. L'exception : l'imagerie directe

En avril 2019, une équipe internationale d'astrophysiciens a réussi à imager un trou noir pour la première fois. Évidemment, on ne peut pas voir un trou noir, mais on peut très bien voir l'influence qu'il exerce sur son environnement.

Pour réaliser cette photo, il a fallu un interféromètre de 8 radiotélescopes (l'Event Horizon Telescope : le télescope de l'horizon des évènements, j'en parle ici) répartis à la surface de la terre (dont le télescope de l'IRAM sur le plateau du pic de Bure dans le Dévoluy 05, cocorico !) et 2 ans pour exploiter les datas récoltées pour former cette image.

Il s'agit ici de M87, situé à 55 d'années lumière de la terre.

Michel Havez, Mai 2021.