Le trou noir

Longtemps considérés comme une curiosité mathématique, les trous noirs sont aujourd’hui des objets observés : on a détecté les ondes gravitationnelles émises par leurs collisions et photographié l’ombre de deux d’entre eux. Ils naissent notamment de la mort des étoiles les plus massives, et des trous noirs géants occupent le centre de la plupart des grandes galaxies, y compris la nôtre.

Comment fonctionne un trou noir ?

Pour quitter la surface d’un astre, il faut dépasser une vitesse minimale, la vitesse de libération : environ 11,2 km/s pour la Terre. Plus un astre est massif et compact, plus cette vitesse est élevée. Si l’on comprime suffisamment une masse, la vitesse de libération dépasse celle de la lumière (environ 300 000 km/s) : rien ne peut plus sortir.

Dans le cadre de la relativité générale d’Einstein (1915), la gravité est une courbure de l’espace-temps. Un trou noir est une région où cette courbure est telle que toutes les trajectoires mènent vers l’intérieur. Dès 1916, l’astronome allemand Karl Schwarzschild trouvait une solution des équations d’Einstein décrivant un tel objet.

L’horizon des événements

C’est la frontière du trou noir, sa « surface » : une limite immatérielle, sans paroi. À l’extérieur, la lumière peut encore s’échapper ; une fois l’horizon franchi, plus rien ne ressort. Son rayon, le rayon de Schwarzschild, est proportionnel à la masse.

La singularité

Au centre, la relativité générale prédit une singularité, un point de densité infinie. La plupart des physiciens y voient le signe que la théorie atteint ses limites : il faudrait une théorie quantique de la gravité, qui n’existe pas encore, pour décrire ce qui s’y passe vraiment.

Comment se forme un trou noir ?

• Trous noirs stellaires : ils naissent de l’effondrement du cœur d’une étoile très massive à la fin de sa vie, lors d’une supernova, quand le cœur restant dépasse environ 2 à 3 masses solaires (voir cycle de vie des étoiles). Ils pèsent de quelques masses solaires à quelques dizaines.
• Trous noirs supermassifs : de millions à des milliards de masses solaires, au centre des galaxies. Leur origine fait débat : croissance de trous noirs plus petits par absorption de gaz et fusions, ou effondrement direct de nuages géants dans l’Univers jeune. Le télescope James-Webb en a observé qui existaient déjà moins d’un milliard d’années après le Big Bang.
• Trous noirs de masse intermédiaire : de centaines à des centaines de milliers de masses solaires, plus rares et plus difficiles à détecter.
• Trous noirs primordiaux : hypothétiques, ils se seraient formés dans les premiers instants de l’Univers. Aucun n’a été détecté.

Le Soleil, trop peu massif, ne deviendra jamais un trou noir : il finira en naine blanche.

Comment observer ce qui est invisible ?

Un trou noir n’émet pas de lumière, mais il trahit sa présence de plusieurs façons :

1. Le mouvement des étoiles voisines : au centre de la Voie lactée, des étoiles tournent à grande vitesse autour d’un point invisible de 4 millions de masses solaires, Sagittarius A*. Ces observations ont valu le prix Nobel de physique 2020 à Reinhard Genzel et Andrea Ghez, partagé avec Roger Penrose pour ses travaux théoriques sur la formation des trous noirs.
2. Le disque d’accrétion : la matière qui tombe en spirale vers le trou noir s’échauffe à des millions de degrés et émet des rayons X. Les quasars, les objets les plus lumineux de l’Univers, sont des trous noirs supermassifs en train d’avaler de grandes quantités de matière.
3. Les ondes gravitationnelles : le 14 septembre 2015, les détecteurs américains LIGO ont capté pour la première fois les ondulations de l’espace-temps produites par la fusion de deux trous noirs d’environ 36 et 29 masses solaires, à plus d’un milliard d’années-lumière (prix Nobel de physique 2017 à Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne). Le détecteur européen Virgo, situé en Italie et auquel participe la France, a rejoint les observations en 2017. Des centaines de fusions ont depuis été enregistrées.
4. L’image de l’ombre : le 10 avril 2019, la collaboration Event Horizon Telescope, qui combine des radiotélescopes répartis sur toute la Terre, a publié la première image d’un trou noir, celui de la galaxie M87, à environ 55 millions d’années-lumière. Celle de Sagittarius A* a suivi le 12 mai 2022. On y voit un anneau lumineux de gaz entourant une zone sombre, l’ombre du trou noir.

Que se passe-t-il si l’on tombe dans un trou noir ?

Près d’un trou noir stellaire, la différence d’attraction entre la tête et les pieds serait si forte que le corps serait étiré comme un spaghetti avant même d’atteindre l’horizon : les physiciens parlent de spaghettification. Près d’un trou noir supermassif, ces forces de marée sont faibles à l’horizon, qu’on franchirait sans rien remarquer de particulier.

Pour un observateur éloigné, l’objet qui tombe semble ralentir et se figer à l’horizon en rougissant progressivement : la gravité intense ralentit le temps, un effet prédit par la relativité et mesuré, à bien plus petite échelle, par les horloges des satellites GPS.

Les trous noirs s’évaporent-ils ?

En 1974, Stephen Hawking a montré qu’en tenant compte de la mécanique quantique, un trou noir devrait émettre un faible rayonnement, dit rayonnement de Hawking, et perdre lentement de la masse. Pour un trou noir stellaire, ce rayonnement est infime et l’évaporation prendrait un temps immensément plus long que l’âge actuel de l’Univers. Il n’a jamais été observé directement.

Questions fréquentes

Un trou noir peut-il avaler la Terre ?

Non. Le trou noir connu le plus proche, Gaia BH1, se trouve à environ 1 560 années-lumière. Un trou noir n'« aspire » pas tout autour de lui : à bonne distance, il attire comme n’importe quel astre de même masse. Si le Soleil était remplacé par un trou noir de même masse, la Terre continuerait de tourner sur la même orbite (mais dans le froid et l’obscurité).

Les accélérateurs de particules peuvent-ils créer un trou noir dangereux ?

Non. Les énergies atteintes au CERN sont bien inférieures à celles des rayons cosmiques qui frappent naturellement la Terre et la Lune depuis des milliards d’années, sans jamais avoir produit de trou noir dangereux.

Quel est le plus gros trou noir connu ?

Les plus massifs connus dépassent 10 milliards de masses solaires, au cœur de galaxies géantes. Les estimations de leur masse comportent de fortes incertitudes, et le classement évolue avec les découvertes.

Un trou noir est-il un trou ?

Non : ce n’est pas un vide mais au contraire une énorme concentration de masse. Le nom vient de ce qu’il apparaît noir, puisqu’il ne laisse échapper aucune lumière.