Les trous noirs

infinie). L'impossibilité pour aucun corps matériel, mais aussi pour la lumière elle-même de s'extraire d'un tel piège, après y être tombée, explique l'appellation de trou noir, qui a été donnée à ce type d'astre par John Wheeler, en 1967.

La définition précédente a le mérite de donner à peu de frais une première intuition de ce qu'il advient dans un trou noir. Mais elle reste inadéquate dans la mesure où un trou noir ne peut être envisagé réellement qu'à partir des notions de la relativité générale, autrement dit selon les concepts de la théorie de la gravitation d'Einstein, pour laquelle champ de gravitation signifie courbure de l'espace-temps. Un trou noir sera alors plutôt envisagé comme une région de l'univers où une courbure extrême révèle des propriétés de l'espace-temps spéciales.
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Le trou noir supermassif au coeur de la galaxie M 87. Cette image, publiée en avril 2019,
et obtenue par un réseau de télescopes (Event Horizon Collaboration) est la première image directe 
d'un trou noir. Elle montre un anneau lumineux formé par la lumière qui se courbe autour d'un trou noir
6,5 milliards de fois plus massif que le Soleil. Le trou noir proprement dit se trouve dans la région circonscrite par l'anneau et dont la limite extérieure correspond à l'horizon des événements. Une image similaire du trou noir situé au Centre de notre galaxie ( de Sgr A*) a aussi été obtenue en 2022 par la même équipe.  Crédit : EHT.

A commencer par l'existence d'une limite, une surface sphéroïdale séparant l'extérieur de l'intérieur du trou noir, et appelée l'horizon, ou, mieux, horizon des événements, dont le rayon a lui aussi un nom : c'est le rayon de Schwarzschild. 

Le rayon de Schwarzschild est le rayon de l'horizon des événements d'un trou noir, c'est-à-dire la distance mesurée à partir du centre du trou noir et au-delà de laquelle rien ne peut s'en extraire. Sa valeur R dépend seulement de la masse M du corps considéré, de la vitesse de la lumière c et de la constante de gravitation G :

R = 2GM/c².

Une seconde propriété, plus problématique encore, mérite d'être signalée : dès la formation d'un trou noir, l'accroissement de la courbure de l'espace-temps à l'intérieur de celui-ci ne peut plus aller qu'en s'accélérant. Elle devient donc inéluctablement infinie. L'intérieur d'un trou noir renferme donc en théorie une singularité correspondant en particulier à des densités de matière et d'énergie infinies. Quelque chose qui rappelle la situation dans laquelle devait en principe se trouver l'univers dans son ensemble à la date zéro du big bang et qui pose d'ailleurs un trou noir comme une sorte de big bang à l'envers et localisé. Ici, matière, espace et temps n'émergent plus au voisinage de la singularité, ils s'y engloutissent.

Les diverses caractéristiques des trous noirs sont très déroutantes. Aussi ont-elles longtemps fait douter de l'existence concrète de tels objets.

Il fallait d'abord pouvoir dire comment ils pourraient bien se former. Or, la question se pose différemment selon les différentes catégories de trous noirs que l'on envisage actuellement.

• Les trous noirs stellaires constituent la catégorie la mieux connue. Leur masse s'étend généralement de quelques masses solaires à plusieurs dizaines, voire quelques centaines de masses solaires. Ils résultent de l'effondrement du coeur d'étoiles massives  en fin de vie. Certains sont isolés, mais beaucoup appartiennent à des systèmes binaires où ils capturent de la matière provenant d'une étoile compagne. Cette matière forme un disque d'accrétion extrêmement chaud qui émet des rayons X intenses. Les observations réalisées grâce aux ondes gravitationnelles ont révélé l'existence de trous noirs stellaires plus massifs que ce que l'on imaginait auparavant, notamment des objets dépassant 50 masses solaires.

• Les trous noirs de masse intermédiaire occupent une position entre les trous noirs stellaires et les géants présents au centre des galaxies. Leur masse est estimée entre quelques centaines et plusieurs centaines de milliers de masses solaires. Longtemps hypothétiques, ils sont aujourd'hui soutenus par diverses observations, notamment dans certains amas globulaires et dans des galaxies naines. Leur origine reste débattue : ils pourraient provenir de fusions successives de trous noirs stellaires ou de l'effondrement direct de très grands nuages de gaz. Ils représentent probablement une étape importante dans la croissance des trous noirs supermassifs. 

• Les trous noirs géants siègent au centre des galaxies, y compris de la nôtre. Leur masse équivaut à plusieurs millions de masses solaires. Leur formation doit probablement être mise en rapport avec celle de la galaxie qui les abrite. Mais les mécanismes n'en sont pas clairs.

+ Les trous noirs supermassifs ont une masse varie de plusieurs millions à plusieurs dizaines de milliards de masses solaires. Presque toutes les grandes galaxies semblent en posséder un en leur centre. Le trou noir central de la Voie lactée, Sagittarius A*, atteint environ quatre millions de masses solaires, tandis que certains noyaux galactiques actifs abritent des objets dépassant dix milliards de masses solaires. Leur influence gravitationnelle structure l'environnement central des galaxies et joue un rôle majeur dans leur évolution. Lorsqu'ils absorbent d'importantes quantités de matière, ils deviennent des quasars ou des noyaux actifs galactiques capables de rayonner davantage que l'ensemble des étoiles de leur galaxie.

 + Les trous noirs ultramassifs constituent une catégorie encore plus extrême. Leur masse dépasse environ dix milliards de masses solaires. Ils se rencontrent principalement dans les plus grandes galaxies elliptiques et dans les amas de galaxies les plus massifs. Leur croissance a probablement été favorisée par des fusions répétées de galaxies et par une alimentation continue en gaz sur des milliards d'années. Ces objets représentent les plus grandes concentrations de masse connues dans l'univers après les amas de galaxies eux-mêmes.

• Les trous noirs primordiaux constituent une classe hypothétique très différente. Ils seraient  issus de fluctuations de densité apparues dans l'univers très jeune. Leur masse pourrait couvrir un domaine extrêmement large, depuis des objets microscopiques jusqu'à des masses comparables à celles des étoiles. Certains modèles proposent qu'ils puissent contribuer à la matière sombre, mais aucune preuve observationnelle définitive n'a encore confirmé leur existence.

• Les trous noirs non rotatifs, décrits par la solution de Schwarzschild, représentent le cas le plus simple. Leur structure est sphériquement symétrique et ils ne possèdent qu'un horizon des événements unique. En pratique, ils sont probablement rares, car les objets astrophysiques conservent généralement une partie du moment cinétique de la matière qui les a formés.

• Les trous noirs en rotation, décrits par la solution de Kerr, sont probablement les plus répandus dans l'Univers. Leur rotation déforme l'espace-temps environnant et engendre une région particulière appelée ergosphère, où toute matière est contrainte de tourner dans le même sens que le trou noir. Cette propriété permet théoriquement d'extraire une partie de l'énergie de rotation du trou noir. Les puissants jets relativistes observés dans certains noyaux galactiques pourraient être alimentés en partie par ce mécanisme.

• Les trous noirs électriquement chargés correspondent à la solution de Reissner-Nordström lorsqu'ils ne tournent pas, ou à la solution de Kerr-Newman lorsqu'ils possèdent également une rotation. Sur le plan mathématique, ces objets sont parfaitement valides, mais les trous noirs astrophysiques réels devraient rester pratiquement neutres, car toute charge importante serait rapidement compensée par l'attraction de particules de charge opposée présentes dans leur environnement.

• Trous noirs binaires. - Certains objets observés se trouvent dans des systèmes binaires de trous noirs. Ces couples orbitent l'un autour de l'autre, perdent progressivement de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles puis fusionnent pour donner naissance à un trou noir plus massif. Les détecteurs Ligo, Virgo et Kagra ont permis d'observer directement de nombreux événements de ce type, ouvrant une nouvelle branche de l'astronomie.

• Les Micro-trous noirs. - Dans certains contextes théoriques apparaissent également les microtrous noirs, dont la masse pourrait être très faible. Ils ne sont pas prédits par la physique standard dans les conditions actuelles de l'Univers, mais certaines extensions de la théorie, impliquant par exemple des dimensions supplémentaires, envisagent leur formation. Aucun n'a été détecté jusqu'à présent.

• Objets divers. - Enfin, certains modèles spéculatifs issus de théories de gravitation modifiées ou de la gravitation quantique proposent des variantes plus exotiques : trous noirs réguliers sans singularité centrale, trous noirs à cheveux (hairy black holes), trous noirs traversables reliés à des trous de ver, ou encore objets compacts alternatifs imitant les propriétés observables des trous noirs classiques. Ces propositions demeurent essentiellement théoriques et aucune observation n'a encore permis de les distinguer clairement des trous noirs décrits par la relativité générale.

La question qui se pose ensuite au sujet des trous noirs est celle de leur détection. Ordinairement, en effet, c'est grâce au rayonnement émis ou réfléchi par un corps qu'on peut l'observer. Or, un trou noir, par définition, ne devrait émettre aucune lumière. En fait un tel astre représente une telle concentration d'énergie, qu'il peut la communiquer à son environnement immédiat, au point de l'échauffer à très haute température, et de le rendre très lumineux. C'est ainsi que pour rendre compte de certains des phénomènes les plus énergétiques que l'on connaisse (sources galactiques X et gammaintenses, quasars...), c'est bien le plus souvent vers des mécanismes impliquant des trous noirs que les astronomes s'orientent.

Représentation d'un trou noir, dans laquelle notre espace
est réduit à deux dimensions. L'introduction d'une troisième dimension
permet de figurer la courbure de l'espace.

A la surface d'un tel astre, le champ de gravitation est immense et donc la courbure de l'espace-temps y est très importante. L'est-elle assez pour donner naissance à un trou noir? La réponse ne revient pas à la relativité générale, mais à la physique quantique. Elle dépend de la capacité d'une étoile à neutrons à stopper son effondrement, grâce à la pression de dégénérescence des neutrons qui la composent. Le seuil au-delà duquel ce n'est plus possible se situerait autour de 2 à 3 masses solaires. Si donc le coeur effondré, laissé à nu par l'explosion d'une supernova est supérieur à cette limite, l'effondrement de l'astre pourrait se poursuivre jusqu'à ce qu'un trou noir naisse. On parlera alors de trou noir stellaire. Comme dans le centre des galaxies, la matière est particulièrement concentrée, il est possible d'imaginer que de tels trous noirs aient pu gober les étoiles et les gaz environnants au point de grossir démesurément, pour atteindre des masses équivalentes à des millions, ou peut-être, des centaines de millions de fois la masse de notre Soleil.-

 

Peut-on se passer des trous noirs? L'idée que les trous noirs imposent la concentration d'une masse finie de matière dans un volume de valeur nulle et de densité infinie es très peu satisfaisante en termes de physique. Certaines conséquences de la rotation des trous noirs, touchant aux fondements mêmes de la causalité sont également particulièrement gênants. Aussi les physiciens ont-ils tenté soit d'aménager la théorie des trous noirs, soit même de renoncer à leur existence. L'aménagement consiste à dire qu'il existe une raison, quelle qu'elle soit, qui empêche toutes les bizarreries des trous noirs d'accéder à notre partie du monde et d'y menacer la physique telle qu'elle s'y manifeste. Un espoir qui parait assez légitime lorsqu'on songe que la théorie de la gravitation sur laquelle se fonde la théorie des trous noirs n'est plus pertinente pour parler des phénomènes à très petite échelle (ou à très forte concentration de matière). Il faut alors recourir aux concepts de la physique quantique. On compte ainsi désormais sur une approche quantique de la gravitation (telle que celle en particulier de la théorie des cordes) pour lever les difficultés posées par le concept de trou noir. Une autre façon d'échapper aux problèmes posés par la théorie des trous noirs consiste à dire qu'ils n'existent tout simplement pas en pratique. Certains astronomes ainsi expliquent qu'il se pourrait que les étoiles initialement les plus massives se soient débarrassées de tellement de matière au moment de leur explosion, que le reliquat central n'est plus la masse suffisante pour s'effondrer sur lui-même au point d'aboutir à la formation d'un trou noir. Il se pourrait aussi, que la matière très dense accède à un état particulier - celui que l'on attribue aux étoiles à quarks - plus résistant à la contraction que celui qui correspond à l'intérieur d'une étoile à neutrons. Ainsi, l'effondrement pourrait-il ici encore être stoppé avant que ne soit atteint le point de non retour. De telles possibilités, peut-être acceptables dans certains cas, introduisent sans doute une ambiguïté supplémentaire dans l'identification de trous noirs de masse stellaire. Elles possèdent cependant leurs limites si l'on note qu'il peut exister des trous noirs plus massifs que ceux que l'on envisage généralement dans le cas stellaire. Cela concerne en premier lieu, les masses compactes détectées au centre des galaxies, évaluées à plusieurs millions de masses solaires, et pour lesquelles l'hypothèse du trou noir géant, même si elle non plus n'est pas la seule possibilité, semble bien, aujourd'hui, rester malgré tout la moins spéculative.

On ne peut voir directement un trou noir, mais il est possible d'observer ses effets gravitationnels sur la matière s'aventurant à sa proximité. Tant qu'on ne pénètre pas à l'intérieur d'un trou noir, on a en effet affaire à un objet se comportant gravitationnellement exactement comme astre ordinaire. Si le Soleil, par exemple, était un trou noir, notre planète continuerait de tourner autour de lui exactement de la même façon. Un astronome, situé très loin du Système solaire, et capable de suivre le déplacement de la Terre, alors que le corps central lui resterait parfaitement invisible, pourrait ainsi en déduire malgré tout sa nature.

L'observation directe du déplacement d'un corps visible autour d'un corps invisible (ou du moins autour de leur centre de gravité commun) a fourni aux astronomes un outil de découverte très efficace, dans le cas par exemple de la détection des premières naines brunes, ou des premières planètes extrasolaires. Dans le cas des trous noirs, cependant, cela ne constitue dans la pratique qu'un outil secondaire. Le champ de gravitation intense qui règne à leur voisinage a effet des conséquences autrement plus spectaculaires. S'il existe ainsi une autre étoile près du trou noir, ou même un nuage de gaz. L'attraction du trou noir pourra en happer la matière. Du fait de la force centrifuge, cette matière, ne va pas s'engouffrer directement dans le trou noir, mais former un disque autour de celui-ci, et par lequel elle transitera (Les transferts de matière dans les systèmes binaires). Le gaz du disque, sous forme de plasma de haute viscosité, est très fortement accéléré et comprimé. Il s'échauffera donc davantage - plusieurs millions de degrés - et sera en mesure d'émettre des rayonnements de très haute énergie. C'est cette lumière qui pourra servir de signature au trou noir. 

Longtemps resté théorique le scénario de l'engloutissement d'une étoile par un trou noir géant semble avoir été observé pour la première fois de façon avérée dans la constellation de la Vierge en juin 2003 par les satellites XMM-Newton et Chandra, qui ont détecté un très puissant sursaut X  au centre d'une galaxie double étiquetée RXJ1242.6-1119. Après analyse de l'événement, qui a correspondu à une libération d'énergie comparable à celle d'une supernova, l'explication retenue, publiée en février 2004, aura ainsi été que l'on a bien eu affaire à l'absorption au moins partielle d'une étoile désintégrée par les forces de marées causées par un trou noir supermassif (estimé à cent millions de masses solaires) niché au coeur de cet objet. Ce résultat laisse soupçonner  rétrospectivement que des explications similaires pourraient être données à deux sursauts X très comparables, observés dans les galaxies NGC 4552 et NGC 5905 en 1995 et 1996, respectivement.
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- Une étoile absorbée par un trou noir (Vue d'artiste). 
Source : Science@Nasa.

Parce que rien ne peut jamais s'extraire normalement d'un trou noir et que, dès lors, sa seule évolution envisageable est un accroissement de sa masse (et partant de sa surface). L'accroissement n'est stoppé que faute de matière à gober. Le trou noir alors s'endort, mais ne meurt pas. C'est peut-être d'ailleurs ce qui explique que le centre de notre Galaxie, comme celui de la plupart des galaxies proches semble dépourvue de trou noir géant, à l'opposé de galaxies lointaines et dont nous voyons l'image de ce qu'elles étaient pendant leur prime jeunesse. Ayant fait le vide autour de lui, le trou noir central serait donc en sommeil.

D'un point de vue plus théorique, des physiciens ont évoqué ce qui ne semblait être au départ qu'une analogie entre la l'aire A de l'horizon d'un trou noir et une autre grandeur utilisée en physique qui elle aussi ne peut que s'accroître avec le temps, l'entropie S. Cet accroissement de l'entropie, qui est énoncé par le second principe de la thermodynamique, traduit l'irréversibilité des phénomènes. L'analogie thermodynamique, et l'idée que la surface d'un trou noir peut être décrite comme une membrane, a permis d'envisager d'autres propriétés d'un trou noir, au delà des traditionnelles masse, charge et rotation. En posant l'entropie du trou noir comme proportionnelle avec sa surface et en jouant avec les équations, on attribue ainsi à la surface des trous noirs une viscosité et même une résistance électrique...

On pouvait s'interroger sur l'intérêt de tout cela jusqu'à ce que Stephen Hawking n'y mêle la physique quantique, et non plus cette fois, là où elle semblait s'imposer le plus, c'est-à-dire au voisinage de la singularité, mais maintenant au voisinage de la surface. Il en a résulté que l'énergie gravitationnelle au voisinage de la surface pouvait être assez importante pour que se créent des particules. La plupart seront englouties par le trou noir. Il quelques une en réchapperont, et donc d'une certaine façon extrairont de la masse et de l'énergie au trou noir. Cette émission de particules, est appelée le rayonnement Hawking. Il explique que les trous noirs s'évaporent avec le temps. Lentement s'ils sont très massifs, mais beaucoup plus vite s'il s'agit de tout petits trous noirs. Par ailleurs, l'idée qu'un trou noir rayonne, justifie que l'on puisse parler de sa température, de son entropie et l'envisager donc en termes thermodynamiques. Les simples analogies initiales auraient donc une signification physique réelle...

En librairie - Kip Thorne, Trous noirs et distorsions du temps, Flammarion, 1997, rééd. coll. Champs 2001 (Sans conteste le meilleur ouvrage de vulgarisation consacré au sujet). - Jacques Paul, L'homme qui courait après son étoile, Ed. Odile Jacob, 1998. Alors que l'ouvrage précédent présente la question surtout sous son jour historique et théorique, voici comment les astronomes traquent concrètement les trous noirs dans le ciel; encore un auteur d'excellente compagnie. -  Enfin, un point de vue plus particulier : Stephen Hawking, Trois noirs et bébés univers, Odile Jacob, 2000. Pour les plus jeunes : Russel Stannard, Les trous noirs et l'oncle Albert, L'Ecole des loisirs, 2001.