Qu’est ce qu’un trou noir ? En astrophysique, on appelle trou noir un objet céleste si compact et donc si lourd que l’intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper
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De tels objets ne peuvent ni émettre, ni diffuser la lumière et sont donc noirs, ce qui en astronomie revient à dire qu’ils sont optiquement invisibles. Toutefois, plusieurs techniques d’observation indirecte dans différentes longueurs d’onde ont été mises au point et permettent d’étudier de nombreux phénomènes qu’ils induisent. En particulier, la matière happée par un trou noir est chauffée à des températures très élevées et émet une quantité importante de rayons X, avant d’être « absorbée ».
Envisagée dès le 18e siècle, dans le cadre de la mécanique classique, leur existence — prédite par la relativité générale — est une certitude pour la quasi-totalité des astrophysiciens et des physiciens théoriciens. Un trou noir n’étant détectable que par les effets de son champ gravitationnel, une observation quasi-directe de trous noirs a pu être établie en février 2016 par le biais de la première observation directe des ondes gravitationnelles, GW150914. Le 10 avril 2019, les premières images d’un trou noir sont publiées, celle de M87*, trou noir supermassif situé au cœur de la galaxie M87 ; elles sont suivies, le 12 mai 2022, d’images provenant de Sagittarius A* au centre de notre galaxie. Ces différentes observations apportent ainsi une confirmation supplémentaire de leur existence.
Dans le cadre et donc dans les limites de la relativité générale, un trou noir est une singularité gravitationnelle entourée d’une zone d’espace dont rien ne peut s’échapper, limitée par une surface appelée horizon. La physique quantique, appliquée aux couples de particules virtuelles apparaissant à proximité de l’horizon, prédit que les trous noirs s’« évaporent » lentement, par émission d’un rayonnement de corps noir appelé rayonnement de Hawking.
Un trou noir est un objet astrophysique dont la relativité générale dit qu’il est provoqué par une masse suffisamment concentrée pour qu’elle ne cesse de s’effondrer sur elle-même du fait de sa propre gravitation, arrivant même à se concentrer en un point appelé singularité gravitationnelle. Les effets de la concentration de cette masse permettent de définir une sphère, appelée l’horizon des évènements du trou noir, dont aucun rayonnement et a fortiori aucune matière ne peut s’échapper1,2. En effet, sa masse est telle, que même la lumière et ses photons ne peut échapper à son attraction gravitationnelle et parvenir à notre rétine (ou tout appareil d’observation).
La vitesse de libération d’un trou noir n’étant pas atteignable par la lumière dont la vitesse est une constante physique indépassable, on convient qu’il est impossible d’échapper à l’attraction gravitationnelle d’un trou noir3. Cette sphère est centrée sur la singularité et son rayon ne dépend que de la masse centrale ; elle représente en quelque sorte l’extension spatiale du trou noir. À proximité de cette sphère, les effets gravitationnels sont observables et extrêmes.
Le rayon d’un trou noir est proportionnel à sa masse : environ 3 km par masse solaire pour un trou noir de Schwarzschild. À une distance interstellaire (en millions de kilomètres), un trou noir n’exerce pas plus d’attraction que n’importe quel autre corps de même masse ; il ne s’agit donc pas d’un « aspirateur » irrésistible. Par exemple, si le Soleil se trouvait remplacé par un trou noir de même masse, les orbites des corps tournant autour (planètes et autres) resteraient pour l’essentiel inchangées (seuls les passages à proximité de l’horizon induiraient un changement notable).
Il existe plusieurs sortes de trous noirs. Lorsqu’ils se forment à la suite de l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive, on parle de trou noir stellaire, dont la masse équivaut à quelques masses solaires. Ceux qui se trouvent au centre des galaxies possèdent une masse bien plus importante pouvant atteindre plusieurs milliards de fois celle du Soleil ; on parle alors de trou noir supermassif (ou trou noir galactique). Entre ces deux échelles de masse, il existerait des trous noirs intermédiaires avec une masse de quelques milliers de masses solaires. Des trous noirs de masse bien plus faible, formés au début de l’histoire de l’Univers, peu après le Big Bang, sont aussi envisagés et sont appelés trous noirs primordiaux. Leur existence n’est, à l’heure actuelle, pas confirmée.
Il est par définition impossible d’observer directement un trou noir. Il est cependant possible de déduire sa présence de son action gravitationnelle : soit par les effets sur les trajectoires des étoiles proches ; soit au sein des microquasars et des noyaux actifs de galaxies, où de la matière, située à proximité, tombant sur le trou noir va se trouver considérablement chauffée et émettre un fort rayonnement X. Les observations permettent ainsi de déceler l’existence d’objets massifs et de très petite taille. Les seuls objets correspondant à ces observations et entrant dans le cadre de la relativité générale sont les trous noirs.
S0-102 : l’étoile au bord du gouffre
Cet article est issu d’« Étoiles. Une histoire de l’Univers en cent astres » de Florian Freistetter, éditions Flammarion, novembre 2020, 463 pages, 25 euros
Parmi toutes les étoiles, S0-102 fait figure de sportive de l’extrême. Elle file autour du centre de notre Voie lactée plus vite que toute autre. Et elle nous a aidés à comprendre l’objet étonnant qui s’y trouve. Car en plein cœur de la Voie lactée gît un trou noir supermassif, 4 millions de fois plus lourd que le Soleil. Il a été nommé Sagittarius A
On soupçonnait l’existence de ces gigantesques entités depuis longtemps, mais seule l’observation attentive des étoiles proches du centre galactique a confirmé cette hypothèse sans l’ombre d’un doute. Il faut se figurer notre Voie lactée comme un disque muni d’une grande sphère en son centre. Dans le disque, les étoiles, dont notre Soleil, sont disposées en bras en spirale. Le centre, cependant, est situé dans ce que l’on appelle le « bulbe », une région sphérique qui s’étend sur environ 10 000 années-lumière. Il y a là beaucoup plus d’étoiles, beaucoup plus proches les unes des autres, que dans les bras. C’est au milieu de toutes ces étoiles que demeure le trou noir.
Et c’est également là que se trouve l’étoile S0-102, qui, avec un groupe d’autres étoiles, fait le tour du centre en un temps étonnamment court. Pour parcourir toute la Voie lactée, notre Soleil a besoin d’environ 220 millions d’années. Comme l’ont découvert l’astronome américaine Andrea Ghez et ses collègues en 2012, S0-102 parvient à faire le tour du trou noir central en seulement 11,5 ans ! La plus rapide de toutes les étoiles connues, elle constitue aussi une source d’informations extrêmement précieuses.
Un trou noir démasqué
Plus une étoile est proche de l’objet autour duquel elle orbite, plus elle en fait le tour rapidement. Les mêmes lois qui régissent le mouvement des planètes autour d’une étoile s’appliquent ici. Et, tout comme on parvient à calculer, à partir du mouvement des planètes, la masse de l’étoile autour de laquelle elles orbitent, on exploite les orbites d’étoiles comme S0-102 pour déterminer la masse de l’objet autour duquel elles gravitent. À la fin des années 1990 déjà, on avait calculé, à partir d’observations d’autres étoiles passant tout aussi près du centre, qu’il devait y avoir là un objet extrêmement massif. De la taille de l’orbite, on avait également déduit une limite supérieure pour son éventuelle expansion.
4,1 millions de masses solaires
Le résultat ? Au centre de la Voie lactée, il y a une telle masse dans un espace si restreint qu’il ne peut s’agir que d’un trou noir. Lorsque S0-102 a terminé son orbite autour du centre galactique, l’examen des données n’a laissé aucun doute. Avec maintenant deux orbites observées dans leur intégralité, Ghez et ses collaborateurs ont pu estimer la masse du trou noir à 4,1 millions de masses solaires.
Il n’y a plus à hésiter : au centre de la Voie lactée se trouve un trou noir incroyablement massif. De même, nous savons désormais avec certitude que de tels objets peuvent également se trouver au centre de toutes les autres grandes galaxies. Cependant, nous n’avons pas encore compris la façon dont des trous noirs avec des masses aussi gigantesques peuvent se former. Une chose est sûre, cela n’a rien à voir avec les trous noirs « normaux » causés par l’effondrement d’une étoile, car des étoiles aussi massives ne peuvent pas exister.
Les étoiles comme S0-102 peuvent se rassurer : elles continueront à faire l’objet de toutes les attentions des astronomes. Elles nous aideront certainement à l’avenir à résoudre l’un ou l’autre mystère. À moins qu’elles ne s’approchent trop du trou noir et que ce dernier ne les engloutisse…
Europe Solidaire 