DE L'ASTRONOMIE : trous noirs

 Deux satellites ont apporté pour la première fois la preuve d’un gigantesque trou noir déchirant et absorbant une petite partie d’une étoile, a annoncé, mercredi 18 février 2004, la NASA.(sources : http://www.interet-general.info/)

     Le terme de « trou noir » est bien connu du grand public, du moins par la partie de ce public s’intéressant à la science-fiction, et ce à cause des différentes séries télévisées qui font appel à ce phénomène céleste d’autant plus aisément qu’il est mystérieux et mal expliqué. On se souvient, par exemple de Stargate SG1 où les héros se servent de trous noirs pour contrer l’offensive de leurs ennemis ou de la série Sliders dont des analogues de trous noirs permettent aux acteurs de glisser d’univers parallèles en univers parallèles. Mais, au delà du simple folklore, on peut s’interroger sur ce que recouvre ces objets astronomiques… s’ils existent vraiment ! En effet, leur réalité a été longtemps discutée et, en dépit d’avancées récentes, certains scientifiques (mais de moins en moins) en doutent encore. Essayons d’y voir plus clair (sans jeu de mots).

Bref retour en arrière

     L’idée d’astres si massifs que même la lumière ne pourrait pas s’en échapper vient de loin, du XVIIIème siècle en fait, où, à la suite des travaux de Newton, John Michell (en 1783) et Pierre-Simon de Laplace (en 1796) en formulèrent conjointement la théorie. Oui, mais à cette époque, on ne connaissait pas la vitesse de la lumière et on ne pouvait en conséquence que supposer l’existence d’objets suffisamment massifs pour la retenir. Il s’agissait donc tout au plus d’une curiosité théorique comme la Science aime parfois en inventer et on s’empressa d’oublier ces idées étranges.

 
     C’est avec Einstein et sa théorie de la Relativité générale que la notion de trou noir reprit du service. Depuis 1915, date de la formulation de la théorie, on sait que l’espace n’est pas uniformément plat et que tout objet peut plus ou moins le courber en fonction de sa propre masse. Tout objet certes, mais pour que cela soit notable, encore faut-il que cette masse soit suffisante, comme celle d’une étoile par exemple. Cette courbure plus ou moins prononcée de l’espace dévie forcément les rayons lumineux ce qui fut démontré dès 1920 (voir sujet : théorie de la relativité générale). Plus la masse d’un corps est importante, plus cette courbure est prononcée à la façon d’une sorte d’entonnoir (le puits gravitationnel) et plus la lumière sera déviée. Imaginons à présent un objet si massif que l’entonnoir se trouve « sans fond » : la lumière ne pourrait en ressortir et on se trouverait face à un « trou noir ». Problème : si la lumière ne peut s’échapper d’un trou noir, comment le voir ? Jusque dans les années 1960, la question resta sans réponse… et l’existence des trous noirs hypothétique. Une autre question vient aussi à l’esprit : d’où pourraient-ils venir, ces étranges objets ?

Origine des trous noirs

     Nous avons déjà évoqué (voir sujet : mort d’une étoile) les différents devenirs des étoiles, une évolution qui dépend essentiellement de leurs masses. Lorsque tout le combustible d’une étoile a été brulé, celle-ci évolue vers un astre extrêmement massif. Si la masse d’une étoile dépasse quarante fois la masse solaire (MS), son noyau dégénéré peut dépasser les trois MS. Dans ce cas, les forces de répulsion des composants atomiques dégénérés (neutrons et protons) ne peuvent plus s'opposer à la compression due aux forces gravitationnelles et la matière s’écrase sur elle-même sans que plus rien ne s’y oppose : on aboutit alors à la formation d’un trou noir. Il arrive même que cette éventualité se produise à partir d’une étoile à neutrons (l’évolution classique d’une étoile un peu moins massive) si celle-ci « capte » de la matière depuis une compagne proche comme cela peut se produire dans un système d’étoiles binaires serré (voir sujet : étoiles doubles et systèmes multiples). En pareil cas, l’accrétion de matière supplémentaire augmente la taille du résidu d’étoile jusqu’à dépasser un seuil critique à partir duquel se forme un trou noir.

 
     Selon leurs masses et leurs propriétés, il existe théoriquement différents types de trous noirs : les trous noirs supermassifs, les trous noirs stellaires (de quelques MS) et même des « micro trous noirs » mais nous ne nous intéresserons aujourd’hui qu’au premier type de ces trous noirs, les supermassifs.

Comment peut-on observer un trou noir ?

     On ne le peut pas puisque, par définition, il s’agit d’un objet invisible, la lumière ne pouvant s’en échapper ! C’est d’ailleurs la raison pour laquelle l’existence d’un tel phénomène a été longtemps tenue pour exclusivement théorique.

 
     On a déjà vu que l’espace est déformé par un corps massif : cela n’est pas perceptible pour un astre comme la Terre, de taille modeste par rapport à une étoile, mais est déjà notable pour le Soleil (voir sujet : théorie de la relativité générale). Un trou noir, par son incroyable masse, doit donc considérablement déformer l’espace autour de lui… et par conséquent ralentir les distances et le temps. Une minute près d’un trou noir sera donc plus longue qu’une minute sur Terre…

 
     Un trou noir est un objet que l’on peut comparer à une barrière, une membrane à sens unique qui divise l’Univers en deux : d’un côté le monde extérieur (l’Univers que nous voyons et dans lequel nous vivons) et de l’autre un monde intérieur dont rien ne peut revenir. Cette limite du trou noir entre ces deux mondes est appelé « l’horizon des évènements ».

 
     Un trou noir, toutefois, n’est pas qu’un corps passif puisqu’il échange des informations avec son monde extérieur en « captant » de la matière : il prélève de l’énergie mais peut également, par sa seule présence, en produire sur son environnement immédiat. Il existe donc des signes indirects de sa présence et c’est cela que l’on a pu réussir à mettre en évidence à partir de la deuxième moitié du siècle dernier. Dès 1960, en effet, on a décelé des radio sources et des quasars (voir glossaire) qui ont accrédité l’idée que des objets supermassifs et impénétrables à la lumière pouvaient se situer au centre des galaxies. Quelques années plus tard, des satellites artificiels plus performants (pouvant déceler les rayonnements de haute énergie) ont mis en évidence des sources X en provenance de systèmes binaires dont l’une des composantes, invisible et très massive, émettait un flux gigantesque de rayons X : il ne pouvait provenir que de l’échange de matière entre l’étoile visible et sa compagne invisible, un trou noir.

 
     Que se passe-t-il à l’intérieur d’un trou noir ? Le centre du trou noir est appelé « singularité », un endroit où la courbure de l’espace et le champ gravitationnel deviennent infinis mais on ne sait pas vraiment ce que cela veut dire pour la bonne raison qu’en pareil cas la théorie de la relativité générale ne peut s’appliquer (dans le cas, comme ici, d’une courbure infinie de l’espace, les phénomènes sont de nature quantique… et il n’existe pas, comme on l’a vu dans un sujet précédent, de théorie gravitationnelle quantique). Nous abordons là des domaines inconnus et forcément encore bien mystérieux.

 
       L’existence des trous noirs est à présent certaine mais comment se distribuent-ils dans l’Univers ?

Où trouve-t-on des trous noirs ?

     Les trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies et ils peuvent « peser » de quelques millions à plusieurs milliards de MS. Du fait de cette présence considérable, on peut parfois distinguer indirectement leur existence par des jets de matière qui s’échauffent à leur contact et, comme nous venons de le dire, par l’émission de puissantes sources de rayons X. Du coup, le centre d’une galaxie peut devenir plus brillant que ce qui serait expliqué par la seule superposition des étoiles qui la compose : c’est cela que l’on appelle un noyau actif de galaxie et on estime qu’environ 5% des galaxies visibles sont de cette nature. Chaque galaxie possède donc probablement un trou noir plus ou moins important : la Voie lactée, notre galaxie, n’échappe pas à cette règle comme en témoigne la course plus rapide des étoiles proches de son centre.

     La présence de trous noirs supermassifs explique l’existence d’objets astronomiques particuliers comme les quasars (presqu’une étoile ou quasi-star en anglais) qui sont des galaxies lointaines particulièrement actives en raison de leur grande activité lumineuse et magnétique, certainement en rapport avec la présence en leur centre de trous noirs hyperactifs. On évoque aussi les blazars (voir glossaire), voisins des quasars (et qui s’en distinguent par la grande variabilité de leurs émissions) mais également les radiogalaxies. En réalité, tous ces objets sont sans doute les différentes formes des galaxies à noyaux actifs.
 

Vie des trous noirs supermassifs

     On vient de voir que les galaxies à noyaux actifs sont celles dont les trous noirs centraux sont en pleine activité : ils avalent continuellement de la matière d’où leur luminosité intense. Question : de tels trous noirs supermassifs finiront-ils par engloutir toutes les étoiles de leurs galaxies ? Eh bien non car il existe une sorte « d’autorégulation » : à force d’avaler tout qui les entoure, il finit pas se créer autour d’eux une zone de « no man’s land » vide de matière et le trou noir se calme… Il n’empêche : lorsqu’il est en pleine activité, il se crée à sa proximité d’énormes déplacements de gaz qui s’échauffe jusqu’à entraîner la formation de myriades de nouvelles étoiles. C’est également le cas lors de collision entre deux galaxies avec la création de gigantesques « effets de marées » gravitationnels qui compriment les gaz vers les centres galactiques occupés par leurs trous noirs respectifs d’où, là aussi, des pépinières de jeunes étoiles ; le phénomène conduit à une extraordinaire augmentation des disques d’accrétion de matière autour des trous noirs : la galaxie résultante devient si brillante qu’on l’appelle un quasar, un objet à la luminosité équivalente à celle d’une étoile proche de nous alors qu’il est situé aux confins de l’Univers. On se trouve ici en présence des phénomènes les plus énergétiques de l’Univers dont on peut imaginer ni l’étendue, ni la puissance tant nous sommes minuscules par rapport à eux…

     Et notre Galaxie dans tout ça ? La Voie lactée possède bien un trou noir massif en son centre mais il est plutôt calme (ce qui n’a peut-être pas toujours été le cas). Pour en savoir plus sur Sagittarius, le trou noir de notre galaxie, se reporter au sujet dédié ICI. Pourrait-il se réactiver et, ainsi, augmenter la lumière de nos nuits ? Cela se produira très certainement dans environ deux milliards d’années lorsque notre Galaxie se heurtera à notre voisine, la grande galaxie d’Andromède. Il n’y aura pas de chocs entre les étoiles composant ces deux monstres tant il y a du vide en eux mais les forces gravitationnelles entraineront l’élévation de chaleur des gaz intersidéraux – d’où la formation de millions de nouvelles étoiles – et lorsque les trous noirs des deux galaxies fusionneront après des dizaines de milliers d’années d’interpénétration galactique, la résultante sera gigantesque. Un immense trou noir pour une immense nouvelle galaxie. Nous ne serons évidemment pas là pour le voir. J’allais presque dire : dommage…

Images

* photo 2 : image simulée d'un trou noir (sources : www.science-et-vie.net/)
* photo 3 : l’image en fausses couleurs obtenue par le télescope spatial Spitzer de la NASA montre une galaxie lointaine (en jaune) qui abrite un quasar, un trou noir supermassif entouré d’un anneau (ou tore) de gaz et de poussières (sources : www.nasa.gov/)
* photo 4 : grande galaxie d'Andromède (sources : http://www.noao.edu/)