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Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Le trou noir du fil Interstellar
Les trous noirs sont-ils vraiment des trous ? Sont-ils si dangereux qu’on l’imagine ? Seriez-vous en train de lire ces lignes s’ils n’existaient pas ? Et surtout, à quelle heure on mange ? Les extraordinaires avancées scientifiques de ces dernières années permettent d’esquisser une réponse à ces questions longtemps restées un mystère.

Saviez-vous que les trous noirs ne sont ni trous, ni noirs ? Ils y ressemblent fortement, mais c’est une illusion. Ce terme très marketing (et très efficace !) a été inventé en 1967 par le physicien américain John Wheeler pour décrire cet « objet » aberrant, certainement un des plus fascinants de l’astrophysique.

Alors, un trou noir, qu’est-ce que c’est ? 

On pourrait les définir ainsi : des objets très denses délimités par un horizon des évènements, une frontière par-delà laquelle la gravité est trop forte pour s’en extraire.

En effet, son champ de gravitation est si intense que même la lumière – qui n’a pas de masse – ne peut pas s’en échapper : c’est pourquoi il nous apparaît noir et ressemble ainsi à un trou dans l’espace.

Il est intéressant de noter qu’on a envisagé l’existence d’un tel astre depuis… le XVIIIe siècle ! Mais c’est Albert Einstein, avec sa théorie de la relativité générale, qui lui a donné un fondement théorique sérieux puisque, bien entendu, personne n’en avait encore observé.

Et c’est évident : comment observer dans la toile noire du ciel un phénomène qui n’émet pas de lumière ? Jusqu’au XXe siècle, cela s’avérait impossible, et les trous noirs restaient une simple éventualité purement théorique – qui avaient leurs détracteurs.

« Paradoxalement, un trou noir peut être l’un des phénomènes les plus lumineux du cosmos. »

Selon Isaac Newton, qui avait énoncé les principes de l’attraction universelle, la gravitation était une force responsable de la chute des corps, du mouvement des corps célestes et de leur attraction réciproque.

Mais Einstein est venu révolutionner cette vision en expliquant que l’espace était indissociable du temps et que, par conséquent, la gravitation n’était pas une force en soi mais simplement la courbure du « tissu » de l’espace-temps formée par une masse incroyablement forte.

Ainsi, un trou noir serait une sorte de puits gravitationnel dont la masse est tellement importante qu’elle étire ce tissu spatiotemporel quasiment à l’infini : la lumière y parcourt ainsi un trajet qui s’étire tant que, même si elle ne possède pas de masse qui puisse la freiner ou la retenir, elle ne s’échappe jamais de l’horizon des évènements (le bord de ce puits, la frontière à partir de laquelle on est capturé par sa gravité).

Imaginez que vous tendiez le bras pour attraper un objet, et que cet objet s’éloigne à mesure que vous vous en approchez. Voilà, vous avez compris pourquoi la lumière y reste piégée, et pourquoi il nous apparaît parfaitement noir.

Photo du trou noir supermassif situé au cœur de la galaxie M87
Photo du trou noir supermassif situé au cœur de la galaxie M87.

Aujourd’hui, l’existence de ces singularités est désormais prouvée et observée. En 2019, l’EHT (Event Horizon Telescope) a réussi à prendre un cliché du trou noir supermassif situé au cœur de la galaxie M87. Pas une simulation, ni une vue d’artiste : une vraie photographie ! Un exploit très médiatisé raconté par le menu dans cet excellent article du magazine Science et Avenir.

Mais alors, comment photographier un objet noir sur un fond noir ? Par définition, il devrait être invisible ! Eh bien, paradoxalement, un trou noir peut être l’un des phénomènes les plus lumineux du cosmos.

Parmi ces phénomènes les plus lumineux, on trouve au sommet du podium les supernovas : l’effondrement d’une étoile sur elle-même qui produit une explosion d’une violence inouïe.

Pour comprendre cette ultime révérence qui ne manque pas de panache, je vous en décris le mécanisme par le menu, microseconde après microseconde, dans ma nouvelle Le nouveau-né ! 💥

Vous le savez, quand un objet est suffisamment dense et massif, les objets plus petits viennent graviter tout autour – c’est le principe de notre système solaire, ou de la Terre et la Lune. Dans le cas d’un trou noir, c’est la même chose : toute la matière attirée se met à lui tourner autour à une vitesse faramineuse. Cela crée des frictions d’une ampleur infernale, et donc une émission de chaleur, de radiations et de lumière qui l’entourent d’un anneau éblouissant.

« Toutes les galaxies sont animées d’un trou noir supermassif en leur cœur. »

Parfois, les trous noirs peuvent se révéler des bolides supersoniques : la NASA vient d’annoncer en ce mois d’avril 2023 la découverte d’un trou noir supermassif qui déchire l’espace à une vitesse de six millions de km/h ! À l’image d’un navire fendant les flots, il laisse derrière lui une immense traînée d’étoiles naissant dans son sillage qui s’étire sur pas moins de 200 000 années-lumière !

Dans d’autres cas, il forme ce qu’on appelle un quasar (à prononcer « kazar » !) – un terme qui vient de la contraction des mots anglais « quasi-stellar radiosource », à l’époque où l’on a confondu ces objets avec des étoiles.

C’est un trou noir supermassif autour duquel tourne un gigantesque disque d’accrétion (une nuée de gaz et de matière) ; en « tombant » vers le trou noir, cette matière se prend dans le champ magnétique titanesque de la singularité, et est éjectée à ses pôles à une vitesse proche de celle de la lumière. Ainsi, pour voir un quasar, il faut se trouver dans l’axe de ses pôles.

Mais si le télescope spatial Hubble a aujourd’hui démontré que toutes les galaxies sont animées d’un trou noir supermassif en leur cœur, il existe d’autres variétés de ces singularités : les trous noirs stellaires et les micro trous noirs.

Un trou noir stellaire se forme à l’occasion de l’explosion de certaines supernovas. Il est beaucoup plus petit qu’un trou noir supermassif, et peut parfois former un micro-quasar. C’est un peu le fantôme d’une étoile décédée.

Un micro trou noir, comme son nom l’indique, est un trou noir minuscule dont le comportement  dépend de la mécanique quantique. On ne sait pas grand-chose de ces phénomènes, si ce n’est qu’ils s’évaporent très vite – eh oui, les trous noirs finissent par s’évaporer, même les plus gros, comme l’a démontré Stephen Hawking en 1974 ! Leur taille est si réduite qu’ils pourraient passer à travers les molécules de la matière ordinaire sans affecter plus de quelques atomes avant de disparaître. Les expériences au LHC (le grand collisionneur de hadrons, un accélérateur de particules entre la France et la Suisse) n’ont pas encore réussi à les créer artificiellement, mais les scientifiques y travaillent.

On le voit, ces micro trous noirs ne représentent aucun danger pour la matière qui nous composent (d’autant qu’ils disparaissent presque instantanément) : du reste, ils joueraient peut-être un rôle important au niveau quantique de l’univers.

Ainsi, un trou noir n’est pas forcément synonyme de danger. Par exemple, si notre système solaire était simplement rempli entre les planètes de la même atmosphère que sur Terre, pour un œil extérieur, sa masse serait telle qu’il serait un trou noir ! Et notre ciel terrestre serait très différent.

Une hypothèse propose même que tout notre univers connu serait le contenu d’un trou noir, et que ce que nous appelons « Big Bang » ne serait en fait que son horizon des évènements ! Je trouve vertigineuse l’idée de vivre dans un trou noir sans le savoir.

« La durée est au temps ce que la distance est à l’espace : son expression, uniquement. »

Désormais, nous savons que ces phénomènes sont très fréquents et présents depuis la prime jeunesse de l’univers. Ils jouent un rôle capital dans la création et le maintien (parfois la mort) des galaxies. À ce titre, ils sont un peu nos grands-pères ! Sans eux, la vie n’aurait probablement pu apparaître nulle part, puisqu’aucune galaxie et qu’aucun système stellaire n’aurait eu l’occasion de se développer.

Trou noir prêt à absorber un autre trou noir (vue d’artiste).

Leur simple existence interroge notre compréhension non seulement de l’univers, mais aussi (et surtout) notre vision de l’espace et du temps.

En effet, notre entendement humain a tendance à nous faire confondre temps et durée : nous percevons le temps comme l’écoulement d’un laps, d’un point A vers un point B en sens unique. Un peu comme la trajectoire du soleil dans le ciel marquant une journée.

Nous avons choisi de la mesurer en heures, minutes et secondes toujours identiques, que Baudelaire a décrites comme implacables dans son poème L’Horloge. Or, le temps n’est pas plus égal à lui-même que l’espace : il se dilate, se contracte, plus ou moins fortement, plus ou moins violemment.

De nombreux auteurs de science-fiction ont exploré ces concepts au cours du XXe siècle, des films récents comme Interstellar (réalisé par Christopher Nolan en 2014) ont illustré des hypothèses. Si la science-fiction vous intéresse, je vous propose mon article sur un des maîtres du genre, Philip K. Dick !

La durée est au temps ce que la distance est à l’espace : son expression, uniquement. La durée, ce n’est que de la distance entre deux moments. Le fait que le temps et l’espace soient les deux faces d’une même pièce semble ainsi parfaitement logique.

Pour autant, nous n’avons toujours pas découvert précisément ce qu’est le temps ; comme ils sont inextricablement liés, nous ignorons également ce qu’est vraiment l’espace. Tout ce que nos sens perçoivent, c’est de la distance.

Ne trouvez-vous pas cela fascinant ? Dans notre univers spatiotemporel, ce n’est pas l’espace et le temps que la gravité déforme : mais seulement la distance (et par conséquent la durée).

Et nul besoin de se rendre aux confins de la galaxie pour se rendre compte que la gravité influence la durée : une seconde en orbite de la Terre s’écoule plus lentement qu’au niveau de la mer !

Certes, l’écart est négligeable à notre échelle. Mais il faut toujours se méfier de ce qui semble insignifiant quand on tente de ramener les choses à de grandes perspectives…

© Photos : Interstellar (Paramount Pictures) / ESA / NASA, ESA and J. Olmsted

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