Un trou noir est une région de l'espace-temps délimitée par un horizon des événements : au-delà de cet horizon, aucun signal, pas même la lumière, ne peut atteindre un observateur extérieur. Le trou noir lui-même n'émet pas directement de lumière ; la matière qui l'entoure peut en revanche être très lumineuse. Longtemps considérés comme des solutions théoriques des équations de la relativité générale d'Einstein, les trous noirs sont aujourd'hui étudiés grâce à leurs effets et aux observations de leur environnement.
Chiffres clés
- Au centre de notre galaxie
- Sagittarius A* ≈ 4 millions de masses solaires
- Vitesse de libération
- dans le modèle newtonien : peut dépasser la vitesse de la lumière
- Première image
- 2019 : ombre de M87*
- Ondes gravitationnelles
- LIGO : 2015 ; LIGO–Virgo : 2017
Une gravité poussée à l'extrême
Pour quitter la Terre, une fusée doit dépasser environ 11 km/s : c'est la vitesse de libération. Plus un astre est massif et compact, plus cette vitesse est élevée. Sur la Lune, il suffit de 2,4 km/s ; à la surface du Soleil, il faut 600 km/s.
On peut poursuivre l'analogie : si l'on concentre suffisamment de masse dans un volume suffisamment petit, la vitesse de libération calculée avec la gravitation newtonienne finit par dépasser la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Cette image aide à comprendre le point de non-retour, mais la description rigoureuse relève de la relativité générale : un trou noir est une région de l'espace-temps délimitée par un horizon des événements.
L'horizon des événements : le point de non-retour
La frontière d'un trou noir s'appelle l'horizon des événements. Ce n'est pas une paroi solide, mais une limite invisible : dans la description classique de la relativité générale, tout ce qui la franchit — matière, lumière ou autre signal — ne peut plus atteindre l'extérieur.
À l'intérieur de l'horizon, aucun signal ne peut revenir vers l'extérieur. Selon la relativité générale, la matière poursuit sa chute vers une singularité, une région où la théorie classique ne suffit plus à décrire la physique.
Comment se forment les trous noirs
Les trous noirs stellaires peuvent se former lors de l'effondrement du cœur de certaines étoiles massives. En fin de vie, lorsque les réactions nucléaires ne suffisent plus à soutenir le cœur, celui-ci peut s'effondrer brutalement sur lui-même. Selon les caractéristiques de l'étoile, le résidu peut devenir une étoile à neutrons ou un trou noir.
Il existe aussi des trous noirs supermassifs, dont la masse va de millions à des milliards de fois celle du Soleil, situés au centre de nombreuses galaxies. Le nôtre, au cœur de la Voie lactée, s'appelle Sagittarius A* et possède une masse d'environ 4 millions de fois celle du Soleil. La manière dont ces objets ont atteint une telle masse reste une question de recherche active.
Là où le temps ralentit
La relativité générale prévoit un effet spectaculaire : par rapport à un observateur très éloigné, une horloge située dans un champ gravitationnel intense paraît ralentir. Près d'un horizon, un observateur lointain verrait une horloge tombant vers le trou noir ralentir de plus en plus, jusqu'à sembler figée.
Pour l'objet qui tombe, le temps s'écoule normalement localement et il franchit l'horizon en un temps propre fini. Un objet qui s'approcherait pourrait aussi être étiré par les forces de marée, dues à la différence d'attraction entre ses pieds et sa tête — un effet que les physiciens ont surnommé, non sans humour, la « spaghettification ».
Comment on « voit » l'invisible
Puisqu'un trou noir n'émet pas directement de lumière, on l'étudie par ses effets sur son environnement. Certains trous noirs sont entourés d'un disque d'accrétion : la matière qui tombe vers eux peut s'y échauffer et briller intensément avant de franchir l'horizon.
- 2019 : la collaboration Event Horizon Telescope publie la première image de l'ombre du trou noir supermassif M87*, au centre de la galaxie M87. L'anneau lumineux provient de la matière chaude et de la lumière déformée autour de l'ombre.
- Septembre 2015 : les deux interféromètres de LIGO détectent pour la première fois des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux trous noirs. Virgo rejoint le réseau en 2017, permettant la première détection par un réseau de trois interféromètres. Une toute nouvelle façon d'« écouter » l'Univers.
Halte aux idées reçues
Un trou noir n'est pas un « aspirateur cosmique » qui engloutirait tout autour de lui. Si le Soleil était remplacé par un trou noir de même masse, la Terre continuerait tranquillement son orbite : à une même distance de son centre, l'attraction serait la même. En revanche, la Terre ne recevrait plus la lumière ni la chaleur du Soleil. Il faut s'approcher très près de l'horizon pour que les effets du trou noir deviennent décisifs.