Les trous noirs, un concept à facettes

Cygnus X-1, un couple stellaire hébergeant un trou noir. © Nasa/JPL-Caltech
Imaginés avant d’être découverts, les trous noirs ont mis du temps avant d’être considérés comme des objets du monde réel. Rejetés par Einstein qui les regardait comme une « catastrophe » pour sa théorie de la relativité générale, ils n’ont pris corps que tardivement. Voilà comment, en dix étapes, nous avons appris à les « voir ».

1. Piège à photons

« Un astre lumineux de même densité que la Terre, dont le diamètre serait 250 fois plus grand que celui du Soleil, ne laisserait en vertu de son attraction parvenir aucun de ses rayons jusqu’à nous ; il est donc possible que les plus grands corps lumineux de l’Univers soient par cela même invisibles. » Dans son Exposition du système du monde, en 1796, Pierre-Simon de Laplace est le premier à utiliser explicitement le terme de corps obscur pour parler d’un astre hypothétique dont l’attraction serait si forte qu’il piégerait même sa propre lumière. Treize ans plus tôt, le géologue britannique John Michell a eu la même intuition. Tous deux s’appuient sur le concept de vitesse de libération, illustré par une expérience de pensée de Newton. Des boulets y sont tirés depuis une montagne, à vitesse de plus en plus grande. Au-delà d’un certain seuil, les boulets ne retombent pas et se satellisent. Au-delà d’un second seuil, ils quittent carrément l’attraction terrestre ! Appliqué aux grains de lumière, le « canon de Newton » explique naturellement l’existence d’astres parfaitement noirs : ce sont ceux dont la vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière.

Le “canon de Newton” portait en germe le concept d’astre obscur, comme le trou noir. DR

2. Cercle magique

5 avril 1922. La physique a bien changé depuis Laplace et voilà belle lurette que ses astres obscurs sont tombés aux oubliettes. Mais au Collège de France, Albert Einstein semble quelque peu embarrassé par la remarque que le mathématicien Jacques Hadamard vient de lui faire... Sa nouvelle loi de la gravitation, appliquée aux corps sphériques, contient un terme à la signification énigmatique... « Si ce terme pouvait quelque part dans l’Univers s’annuler, alors ce serait un malheur inimaginable pour la théorie », reconnaît le physicien. Dans l’espace-temps que décrit la relativité générale, il semble exister des sphères impénétrables. Des zones qui mettent en échec ses équations ! « Cercle magique », « frontière impénétrable », « sphère singulière », voire — pour Einstein — « catastrophe Hadamard »... ils ne le savent pas encore, mais les physiciens viennent de mettre le doigt sur la principale caractéristique des trous noirs : l’horizon des événements.   

C’est la théorie de la relativité générale élaborée par Albert Einstein qui autorise l’existence des trous noirs. DR

3. Étoile gelée

Dans les années 1930, armés de la théorie d’Einstein et de la physique quantique, les physiciens théoriciens explorent le monde des étoiles. L’Indien Subrahmanyan Chandrasekhar calcule en 1930 la masse maximale d’une naine blanche, au-delà de laquelle elle s’effondre inéluctablement sur elle-même. En URSS, Lev Landau fait de même deux ans plus tard. Mais l’idée qu’une étoile puisse se contracter jusqu’à un point infiniment dense lui paraît ridicule. Robert Oppenheimer, Hartland Snyder et George Volkoff montrent pourtant en 1939 qu’un tel effondrement gravitationnel est possible : la relativité générale autorise la formation de ces « astres effondrés ». Mais elle est facétieuse. Comme elle implique aussi un ralentissement du temps dans un fort champ de gravitation, elle interdit à un observateur extérieur de voir le processus se dérouler jusqu’au bout ! À mesure qu’elle se rapproche de son horizon, la contraction de l’étoile paraît ralentir... En réalité, l’effet ne concerne que l’ultime fraction de seconde de l’effondrement et est imperceptible. Il n’empêche, les Soviétiques, pour parler des trous noirs, emploieront longtemps le terme d’étoile gelée. 

Einstein n’accepta jamais l’existence des trous noirs, malgré la démonstration d’Oppenheimer (à droite ; photographié ici après-guerre). DR

4. Passage secret

En 1963, le théoricien néo-zélandais Roy Kerr décrit pour la première fois la géométrie de l’espace-temps autour d’un astre compact en rotation. L’étude des « solutions de Kerr des équations d’Einstein », comme on appelle alors les trous noirs, connaît un développement extraordinaire. À Cambridge notamment, Brandon Carter et Roger Penrose inventent en 1965 une nouvelle façon de les visualiser. Surprise : ils découvrent que les trous noirs pourraient être des passages vers d’autres univers !     

Dans les années 1960, les théoriciens inventent de nouvelles manières de visualiser les propriétés des trous noirs. © C&E 

5. Réacteur surpuissant

Si dans les sixties les théoriciens caracolent, les astronomes ne se laissent pas distancer. Ils découvrent plusieurs types d’objets nouveaux, dont les quasars en 1963. Ces sources ponctuelles, que l’on pourrait facilement confondre dans le ciel avec des étoiles (quasar est la contraction de quasi stellar), brillent en fait comme des centaines ou des milliers de galaxies. De quoi s’agit-il ? Dès 1964, Edwin Salpeter aux États-Unis et Iakov Zeldovitch en URSS mettent sur pied un scénario capable d’expliquer à la fois la petite taille des quasars et leur exceptionnelle luminosité. Une étoile effondrée d’un million de masses solaires traversant un nuage de gaz, notent-ils, serait capable d’accélérer les particules de ce nuage à une vitesse proche de la lumière. En entrant en collision les unes avec les autres, elles s’échaufferaient suffisamment pour produire le rayonnement que l’on observe. De moins en moins hypothétiques, ces objets nés de la théorie s’avèrent être des réacteurs 60 fois plus puissants que les cœurs des étoiles.

Dans les années 1960, les astrophysiciens découvrent dans le ciel des candidats crédibles, comme les puissants quasars. © Nasa

6. Trou noir !

Trou noir ? L’expression est si frappante qu’elle semble toujours avoir été associée à l’enfant terrible de la théorie d’Einstein. Pourtant, elle n’a pas cinquante ans. Fin 1967, à Princeton, le physicien américain John Wheeler décide de donner un coup de pouce aux recherches de ses poulains. Il affuble les objets exotiques sur lesquels travaille son équipe du sobriquet de trou noir et décide fermement de ne plus jamais parler d’eux qu’ainsi. C’est un coup de maître ! « C’était un sujet de recherches relativement confidentiel, c’est devenu la folie ! » se souviendra Brandon Carter bien plus tard (1). L’image est plutôt bien choisie — les trous noirs sont bien des puits gravitationnels, parfaitement obscurs — mais elle sera parfois comprise de travers. Comme dans l’inénarrable film de Walt Disney Le trou noir (1979). 

Après le printemps théorique et observationnel des années 1960,
les seventies signent l’entrée des trous noirs dans la culture populaire.
DR

7. Foyer invisible

Ils ont un nom, il leur faut maintenant un visage. En 1971, le Canadien Tom Bolton apporte la première preuve convaincante de l’existence des trous noirs. Au télescope, l’astronome constate que la source de rayons X du système binaire Cygnus X-1, découvert en 1965, n’émet pas dans le visible. Trahie par la révolution de son étoile compagnon de 30 masses solaires, elle est pourtant sept fois plus massive que le Soleil ! Pour expliquer ces bizarreries, les astrophysiciens ne peuvent guère qu’évoquer la présence d’un trou noir. Bien plus tard, ce sera aussi l’observation du mouvement des étoiles autour d’un objet massif mais invisible qui permettra aux astronomes d’affirmer qu’un trou noir géant occupe le centre de la Voie lactée.      

Dans les années 1970, les astronomes identifient Cygnus X-1 comme un couple stellaire hébergeant un trou noir. © Nasa/JPL-Caltech

8. Grand illusionniste

Si les trous noirs existent, à quoi ressemblent-ils, vus de près ? Avec des candidats distants de plusieurs milliers d’années-lumière au mieux, la question peut paraître un peu gratuite. Surtout s’agissant d’objets censés n’émettre aucune lumière ! Dès les années 1970, quelques astrophysiciens cherchent pourtant à y répondre. En 1973, James Bardeen et son étudiant C. T. Cunningham montrent à quelles déformations serait soumise l’image d’une étoile en orbite autour d’un trou noir. Six ans plus tard, Jean-Pierre Luminet approfondit ce travail pour le cas plus réaliste d’un trou noir entouré d’un disque d’accrétion : tordue et intensifiée dans le champ gravitationnel de l’astre compact, décalée en longueur d’onde tantôt vers le rouge, tantôt vers le bleu, l’image du disque est méconnaissable. D’autres travaux, en particulier ceux de Jean-Alain Marck en 1996 et Alain Riazuelo en 2008, confirmeront que les trous noirs sont de grands illusionnistes...     

À quoi ressemblent réellement les trous noirs ? Les théoriciens s’emparent du sujet
et produisent leurs premières simulations à la veille des années 1980.
DR

9. Pourvoyeur d’ondes 

C’est pour certains astrophysiciens la meilleure preuve de l’existence des trous noirs. Le seul événement à ce jour qui nous permette de dire : « On les a vus. » Le 14 septembre 2015, à 9 h 50 min 45 s, les deux détecteurs de l’instrument américain Ligo enregistrent pendant 0,2 seconde le signal très attendu d’une onde gravitationnelle (lire C&E n° 546). Prédits un siècle plus tôt par Albert Einstein, ces frissonnements de l’espace-temps témoignent de la fusion de deux astres compacts à 1,3 milliard d’années-lumière. L’onde a beau n’avoir produit aucune lumière détectable, aucune image, aucun signal capté par aucun télescope, sa forme porte une signature très claire : elle a été émise par la fusion de deux trous noirs.    

Les trous noirs se révèlent aussi par les ondes gravitationnelles qu’ils émettent en fusionnant. Vue d’artiste © Ligo

10. Silhouette observable

Depuis Galilée, les astronomes connaissent la puissance des images. Aussi n’est-il pas étonnant qu’ils cherchent aujourd’hui à voir directement la silhouette des trous noirs. Ils s’y sont beaucoup préparés, mais leurs instruments sont complexes et leurs méthodes d’imagerie, tortueuses. Devront-ils faire confiance à ce qu’ils verront à travers eux ? Il y a quatre siècles, l’utilisation révolutionnaire de la lunette par Galilée avait soulevé la même question. Les sceptiques en avaient été pour leurs frais...

 

Article publié dans le dossier « Photographier un trou noir » du Ciel & espace n°550, novembre 2016

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