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.

La première image d’un trou noir

Voici l’ombre du trou noir supermassif situé au cœur de la galaxie M87. Cette image, publiée le 10 avril 2019 dans Astrophysical Journal Letters, a été obtenue grâce à un réseau de 8 radiotélescopes sur 4 continents, l’Event Horizon Telescope. La structure orange correspond à la matière surchauffée autour du trou noir, un plasma de gaz.

© Event Horizon Telescope Collaboration

Première image d'un trou noir

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 XVIIIe 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 60-70, 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.

Sagittarius A* au centre de la Voie lactée

Sagittarius A* (Sgr A*), le trou noir situé au centre de notre galaxie, la Voie lactée, a longtemps paru un peu endormi. Pourtant, depuis quelques années, il émet régulièrement des flashs plus lumineux. Il ne s’agit pas de lumière visible, mais de flux de rayons X de plus haute énergie, signe que Sgr A* ingère à nouveau de la matière tombée à proximité. Une équipe internationale – comprenant des chercheurs du CEA et du CNRS – a également découvert l’existence de deux bulles de gaz chaud s’échappant de ce trou noir (Nature, 21 mars 2019).

©Y.Bai et al./CXC/Univ. of Wisconsin/NASA

Sagittarius A* le trou noir au centre de notre galaxie

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 70. 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.

portrait d 'Einstein

Des ondes d’Einstein aux trous noirs

Un siècle après qu’Albert Einstein a énoncé sa théorie de la relativité générale, celle-ci a une nouvelle fois été confirmée ! Grâce à l’instrument américain Ligo, une équipe internationale a détecté les ondes gravitationnelles (des déformations de l’espace-temps) prédites par l’illustre physicien. Mais ce n’est pas tout. Cette première, publiée le 11 février 2016 dans la revue Physical Review Letters, apporte aussi la preuve de l’existence des trous noirs, car les ondes observées ont été produites par la fusion de deux d’entre eux, il y a 1,3 milliard d’années. 

©Ferdinand Schmutzer

V404 Cygni : trou noir et antimatière

En 2015, V404 Cygni, système double composé d’un trou noir stellaire et d’une étoile, se réveillait sous les yeux ébahis d’astrophysiciens du monde entier. Ce couple, situé à près de 8 000 années-lumière de la Terre dans la constellation du Cygne, n’avait présenté aucune activité depuis 1989 ! L’analyse des données recueillies par le satellite européen Intégral (qui détecte les rayonnements gamma) a révélé la production de nombreuses particules d’antimatière. Ce résultat, publié dans la revue Nature en février 2016, pourrait permettre de mieux comprendre le rôle joué par ce genre de trous noirs au sein de notre galaxie.

©Vue d’artiste, ESA/ATG medialab

V404 Cygni

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…

Ligo ( Etats-Unis)

Ligo, Virgo et les autres détecteurs d’ondes

L’instrument américain Ligo (photo) s’est fait mondialement connaître pour avoir permis la première détection d’ondes gravitationnelles en septembre 2015 peu après sa mise en service. L’exploit a été renouvelé en décembre 2015 ! Une prouesse qu’il doit à ses deux antennes lasers, situées respectivement dans les États de Louisiane et de Washington, aux États-Unis. En Europe, l’observatoire franco-italien Virgo qui fonctionne comme Ligo, détecte ses premières ondes gravitationnelles issues de la fusion entre deux trous noirs en août 2017. Ces dispositifs sont installés au sol, mais des projets spatiaux sont également envisagés dans cette quête d’ondes gravitationnelles.

©LIGO lab

portrait d'Alain Riazuelo

Alain Riazuelo, chercheur à l'Institut d'astrophysique de Paris, nous explique pourquoi il se passionne pour l'étude des trous noirs.

©Jean Mouette /IAP-CNRS-UPMC 2016

 radiotelescope australien Askap

Trois galaxies pour un trou noir

En pointant les antennes du radiotélescope australien Askap sur une région de l’espace connue pour être riche en rayonnements radio, une équipe a observé trois galaxies en fusion abritant un trou noir gigantesque. Celui-ci aurait une masse près de quatre milliards de fois supérieure à celle du Soleil ! C’est en observant la vitesse de rotation des gaz de l’amas galactique autour du trou noir (environ 600 kilomètres par seconde) que les scientifiques ont pu estimer – et annoncer en avril 2016 – la masse de ce poids lourd.

©CSIRO

eLisa, c’est parti !

Pour voir les ondes émises par les trous noirs supermassifs, on ne peut pas utiliser les détecteurs terrestres car les ondes sont à très basses fréquences. Pas d’autre choix que d’aller dans l’espace ! Tel est l’objectif de la mission internationale eLisa, qui fera appel à trois satellites spatiaux pour traquer les ondes. Son lancement est prévu en 2034. Pour tester la faisabilité de cette mission, le satellite Lisa Pathfinder a été lancé en décembre 2015. Les résultats, rendus publics en juin 2016, montrent qu’en conditions réelles les technologies de la future mission fonctionnent bien.

©Vue d’artiste, ESA/ATG medialab

Elisa
etoiles doubles (amas du Trapèze)

Les premières images de Gravity

Après avoir photographié des étoiles doubles situées dans l’amas du Trapèze de la constellation d’Orion, l’instrument Gravity, de l’Observatoire européen austral au Chili, a réussi à détecter une étoile très peu lumineuse (S2) proche de Sagittarius A*, le trou noir de notre galaxie (photo juin 2016). Il pourra suivre le mouvement de celle-ci à mesure qu’elle se rapproche du trou noir. En effet, cet instrument peut fournir des clichés de très haute résolution, en combinant les données des quatre télescopes de 8 mètres du VLT (Very Large Telescope), pointés vers la même région du ciel.

©ESO/MPE/S. Gillessen et al.

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 de cosmologistes du monde entier !

stephen Hawking

Un trou noir au labo

À la suite du Canadien William Unruh, et depuis plusieurs décennies, le physicien israélien Jeff Steinhauer a entrepris une drôle d’expérience : la création d’un trou noir au laboratoire ! Il s’agit d’un trou noir acoustique, qui piège le son et non la lumière. Et qu’a-t-il vu, ou plutôt entendu ? En avril 2016, il annonce que des phonons (composants des ondes sonores) s’échappent de son trou noir. Un résultat qui renforce la théorie de Stephen Hawking (1942-2018) (photo), selon laquelle les trous noirs ne sont pas étanches et laissent échapper des particules. Dans le cosmos, il s’agit de particules de lumière, les photons. La preuve, ici, serait apportée par les phonons.

©Jemal Countess/Getty Images North Amercia/AFP