Trou noir : tout savoir sur cet objet céleste mythique

TROU NOIR. Les trous noirs font partie des curiosités du cosmos. Taille, formation, définition ou encore photos d'un trou noir, on vous explique tout sur ces mystérieux objets qui peuplent l'espace.

Objets célestes qui aspirent tout ce qui passe à proximité, les trous noirs fascinent aussi bien les scientifiques que les passionnés d'espace. Nés de la mort d'une étoile suffisamment massive, les trous noirs ne sont pas des trous à proprement parler mais plutôt une région de l'Univers où la gravité est tellement forte que même la lumière ne peut s'en échapper. Ce sont donc des objets difficiles à étudier et que l'on commence tout juste a observer grâce aux avancées technologiques des dernières années.

Si le processus qui aboutit à la formation de chaque type de trou noir reste partiellement inconnu des chercheurs, on sait tout de même qu'il en existe de différentes tailles. Les plus petits et plus courants ont une masse de 10 à 20 fois celle du Soleil, tandis que les plus gros dont on ne connaît pas l'origine avec exactitude, peuvent présenter une masse de plusieurs milliards de fois celle du Soleil. Très régulièrement, de nouveaux trous noirs sont découverts et leurs caractéristiques battent les records précédemment enregistrés. Origine, formation ou encore fonctionnement, faisons le point sur ces étonnants objets.

Qu'est-ce qu'un trou noir ?

La nature même du trou noir rend son observation difficile. Pour résumer : les trous noirs sont des objets astronomiques qui existent dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, et dans la théorie des trous noirs développée par des scientifiques successifs, de Wheeler à Stephen Hawking. Ce sont des objets infiniment massifs dans l'univers. Leur masse est si importante qu'absolument rien ne peut échapper à leur attraction, pas même la lumière. D'où la difficulté à les capturer sur une photo. Si leur existence n'avait pas été confirmée à 100%, on soupçonnait déjà l'existence de trous noirs dans de nombreux endroits de l'univers, y compris au centre de notre galaxie.

Qu'est-ce qu'un trou noir supermassif ?

Un trou noir est une région de l'espace où la matière est tellement dense que la gravité empêche la lumière de s'en échapper. C'est précisément pour cette raison qu'ils sont invisibles et appelés " trous noirs ". Un trou noir est délimité par un "horizon" qui correspond à la limite à partir de laquelle il faudrait atteindre une vitesse supérieure à celle de la lumière pour s'en échapper. Autrement dit, à partir de cette limite, même la lumière ne peut plus s'extraire du trou noir.

Un trou noir supermassif est une catégorie de trous noirs, au même titre que les trous noirs stellaires, les trous noirs primordiaux et les trous noirs intermédiaires. Les trous noirs supermassifs sont caractérisés par une masse qui peut faire entre plusieurs millions et jusqu'à des milliards de fois la masse du Soleil. Ce sont donc des mastodontes parmi les trous noirs.

Quel est le trou noir le plus proche de la Terre ?

Le 4 novembre 2022, la découverte d'un trou noir supermassif situé dans la constellation d'Ophiucus a été rendue publique. C'est une équipe menée par Kareem el-Badry, astrophysicien au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, qui est à l'origine de cette étude. L'existence du trou noir nommé Gaia BH1 a été mise en évidence grâce aux données récoltées par la sonde spatiale européenne Gaia.

Gaia BH1 présente une masse d'environ 10 fois celle du Soleil et se trouve à 1 560 années-lumière de la Terre. Il s'agit donc du trou noir le plus proche de notre planète connu aujourd'hui. Avant d'arriver à cette conclusion, l'équipe a étudié le mouvement d'une étoile située à proximité du trou noir. Les déplacements de cette étoile suggéraient la présence d'un objet invisible d'une grande taille non loin d'elle. C'est ainsi que les scientifiques ont pu identifier le trou noir.

Il s'agit d'un trou noir en dormance, ce qui signifie qu'il n'aspire aucune matière et n'attire pas l'autre étoile vers lui. Ce système stellaire est relativement atypique et les chercheurs ont désormais pour objectif de comprendre comment il a pu se former.

Quel est le son émis par un trou noir ?

En mai 2022, à l'occasion de la semaine des trous noirs, la NASA a dévoilé un son totalement inédit : celui d'un trou noir. Pour arriver à ce résultat, les scientifiques se sont intéressés au trou noir situé dans une galaxie géante de l'amas de Persée. Ce trou noir est entouré de gaz à travers lesquels se propagent les ondes sonores. C'est l'observatoire à rayons X Chandra qui a récolté les ondes ainsi émises et les a rendues audibles par nos oreilles.

À quoi ressemble le trou noir de la Voie Lactée ? 

Le consortium scientifique international Event Horizon Telescope (EHT) a dévoilé jeudi 12 mai 2022 la première photo du trou noir au centre de notre galaxie. Sagittarius A*, tel est son nom tiré de la constellation du Sagittaire, est situé à 25 640 années-lumière de la Terre. Près de 300 scientifiques ont collaboré ensemble durant 5 années pour constituer "la première preuve visuelle directe" de la présence de ce trou noir supermassif, en plein cœur de notre Voie Lactée.

À en croire le portrait de Sagittarius A*, ce trou noir est assez similaire à M87, le trou noir supermassif dont la photo avait été diffusée en 2019. En effet, les deux clichés se ressemblent énormément. On peut y voir une sorte de donut orange délimitant un disque noir. Ce disque est le trou noir en lui-même, qui par définition, absorbe toute la lumière qui y pénètre et n'en renvoie pas. L'anneau orange, dont la forme et appelée tore, est le disque d'accrétion. Il est constitué de gaz qui tournent autour du trou noir et dissipent de l'énergie sous forme de lumière. C'est généralement ce disque qui permet de détecter un trou noir.

Quelles photos de trou noir ?

En 2019, la première photo d'un trou noir était publiée. Il s'agissait de M87 situé dans la galaxie Messier 87. Cette première image de trou noir (ci-dessous) nous a permis de valider l'hypothèse de leur existence puisque cette dernière n'avait jamais été prouvée. Pour reprendre les mots du CNRS, on peut voir "une structure d'anneau avec une région centrale circulaire et obscure". Cette zone centrale est le trou noir lui-même, qui se détache du fond brillant. Une image qui correspond exactement à ce que prédit la théorie de la relativité générale d'Einstein. "La structure orange correspond à la matière surchauffée autour du trou noir" poursuit le site du CNRS.

L'image ci-dessus a permis d'illustrer un certain nombre de caractéristiques qu'on connaissait déjà sur ce trou noir. On savait par exemple que sa masse équivalait environ à 6,5 milliards de fois celle de notre Soleil, un record pour ce type d'objet. Autre information de taille : le trou noir lui-même mesure 38 milliards de kilomètres, soit 250 unités-astronomiques, la distance entre le Soleil et la Terre. Le disque de gaz qui l'entoure est environ 100 fois plus grand. Des chiffres vertigineux, devant une image difficile à décrypter pour les novices.

Les réactions à cette première image de trou noir prise en 2019 ont été unanimes, dans la presse spécialisée mais aussi les médias généralistes et sur Internet. "La porte de l'Univers" titrait par exemple le journal catalan Ara. "Vertigineux !" pour le Télégramme. Et même dans la presse, on se permettait quelques détournements : "A quoi ressemble le Brexit de l'espace ?" demandait Metro le 11 avril 2019. Les scientifiques s'étaient alors émus de l'avancée que représentait cette image. "Nous avons réussi à transformer un outil mathématique en un objet physique que l'on peut tester, observer et mesurer" avait expliqué l'un des intervenants lors de la conférence de presse où l'image avait été dévoilée.

Une deuxième image avait également été publiée. Celle-ci montre un plan beaucoup plus large du trou noir. Si le "trou" lui même apparait beaucoup moins clairement sur cette photo, on y voit en revanche une image beaucoup plus impressionnante du gaz et de la matière surchauffée au centre de la galaxie M87. Prise par le télescope Chandra, elle est également beaucoup plus vertigineuse : notre système solaire pourrait tenir dans le point noir au centre de l'encadré sur la photo.

En 2022, le télescope Event Horizon Telescope a produit une deuxième photo d'un trou noir. Cette fois, c'est Sagittarius A*, le trou noir supermassif de notre Galaxie, qui a été capturé. Pourtant, entre les deux trous noirs, la ressemblance est frappante.

"Le résultat est peut-être un peu décevant parce que les deux images se ressemblent énormément", a analysé Frédéric Gueth, directeur adjoint de l'Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM), au Monde "Mais, en réalité, c'est un résultat très intéressant". Ce résultat indique, d'une part, que la première photo n'est pas le résultat du hasard ou d'une erreur, puisque les deux clichés se ressemblent. Deuxièmement, ces deux images similaires permettent de vérifier la théorie de la relativité générale d'Einstein puisqu'on retrouve les même structures sur deux trous noirs situés dans des endroits très éloignés.

Pourquoi notre trou noir s'appelle Sagittarius A ?

Plus poétique que M87, le trou noir photographié en 2019, le trou noir Sagittarius A* a été nommé d'après sa position puisqu'il est situé dans la constellation du Sagittaire, au centre de notre galaxie, la Voie Lactée. C'est le scientifique Robert L. Brown qui l'a nommé ainsi après l'avoir découvert en 1974. A l'époque, on ne savait pas encore qu'il s'agissait d'un trou noir même si cette théorie a émergé progressivement et a été confirmée à la fin des années 90.

Où se trouve le trou noir M87 ?

Le trou noir M87 est situé à 55 millions d'années-lumière de la Terre, dans la galaxie Messier 87 découverte en 1779 et nommée par l'astronome Charles Messier. Le trou noir supermassif M87 se trouve donc au centre de cette galaxie.

Comment observer un trou noir ?

Albert Einstein soupçonnait déjà leur existence en 1915. Pourtant, jamais aucune photo de trou noir ne nous était parvenue avant 2019. Les scientifiques, réalisateurs et amateurs de science-fiction devaient se contenter jusque-là de modèles et de simulations par ordinateur. Le collectif Event Horizon Telescope (EHT) a donc présenté le résultat d'une observation croisée réalisée en 2017. Huit télescopes à travers le monde avaient ciblé simultanément deux trous noirs dans le but de produire la première image du phénomène. Deux ans plus tard, la communauté scientifique attendait le résultat.

Mais ce n'est pas uniquement les huit télescopes, combinés en un dispositif qui aurait permis de voir un objet de la taille d'une pomme sur la Lune depuis la Terre, qu'il faut remercier. L'image du trou noir M87* a en effet été reconstituée grâce aux travaux de la jeune Katie Bouman. Alors qu'elle était encore "graduate student" au MIT, elle a supervisé le développement d'un algorithme de reconstruction d'images. Ce programme permettait de mettre bout à bout des photos, afin d'obtenir une meilleure résolution et une image plus précise à partir de moyens techniques limités. C'est cet algorithme qui a permis de reconstituer l'image du trou noir à partir des clichés des huit télescopes mobilisés par le comité EHT.

Par définition, un trou noir ne renvoie aucune lumière. Pour contourner ce problème, les astronomes cherchent à observer les trous noirs par contraste. C'est-à-dire, en étudiant les contrastes et les déformations sur la matière qui l'entoure. Ou encore, en observant les "disques d'accrétion", la matière qui s'accumule aux abords des trous noirs sous forme de disque et qui devient extrêmement chaude et lumineuse. 

Si vous êtes vous-même amateur d'étoiles, vous ne pourrez malheureusement pas observer le trou noir M87* depuis votre jardin. Mais si vous disposez d'une longue-vue de 100 mm de diamètre et que vous êtes suffisamment loin de la pollution lumineuse, vous pourrez voir la galaxie qui l'abrite. En effet, la galaxie Messier 87 est visible depuis chez nous au cours du printemps, et ressemble à une tache lumineuse entre la constellation de la Vierge et du Lion.

Comment se forme un trou noir ?

Les procédés qui aboutissent à la formation d'un trou noir restent en grande partie obscurs pour la communauté scientifique bien qu'un certain nombre de théories existent. En fonction de la nature du trou noir, les mécanismes mis en œuvre ne sont pas les mêmes.

Les trous noirs stellaires sont issus de la mort d'une étoile suffisamment massive pour s'effondrer sur elle-même. Lorsqu'une étoile meurt, elle finit par se contracter sur elle-même et s'éteindre. Mais si cette dernière est très massive, la masse restante se concentre en un point infiniment petit et dense qu'on appelle " la singularité ". Ce point génère une force de gravité telle que même la lumière ne peut s'en échapper.

Les trous noirs supermassifs comme Sagittarius A* ou M87, les deux trous noirs ayant été photographiés en 2019 et 2022, interrogent davantage les scientifiques qui ne connaissent pas encore leur mécanisme de formation. Il est toutefois possible que ces trous noirs soient issus de la fusion de plusieurs trous noirs stellaires.

Comment un trou noir grandit ?

Les trous noirs sont assez divers par leurs tailles. Certains sont petits et leur masse fait plusieurs fois celles du Soleil alors que d'autres, comme les trous noirs supermassifs, font des milliards de fois la masse du Soleil. Les astronomes s'interrogent donc sur les mécanismes qui mènent à la formation d'entités aussi massives.

Globalement, deux procédés nourrissent la croissance d'un trou noir. D'une part, toute matière qui passe "trop proche" du trou noir est attirée par ce dernier, c'est le phénomène d'accrétion. D'autre part, deux trous noirs peuvent fusionner, formant un nouveau trou noir plus gros. C'est le phénomène de fusion.

Est-ce qu'un trou noir est infini ?

Il est difficile de savoir ce qui se passe à l'intérieur d'un trou noir. On ne peut que théoriser les mécanismes qui s'y produisent. Ce qu'on sait c'est que la densité d'un trou noir est infinie. C'est ce qui fait que la courbure de l'espace-temps est également infinie. C'est ce point que l'on appelle "singularité".

Quel est le plus grand trou noir de l'Univers ?

À l'heure actuelle, le plus grand trou noir dont la masse a été mesurée directement est nommé HOLM 15A*. Il s'agit d'un trou noir supermassif situé dans la galaxie Holmberg 15A, à 700 millions d'années-lumières de notre galaxie. Ce trou noir a une masse de 66 milliards de fois celle du Soleil. A titre de comparaison, Sagittarius A*, le trou noir supermassif qui se trouve au centre de la Voie Lactée, présente une masse de 4 millions de soleils.

Qu'est-ce que la théorie de la relativité d'Einstein ?

Enoncée en 1915 par Einstein, la théorie de la relativité générale décrit la manière dont une quantité de masse et d'énergie déforme l'espace-temps. Ce mécanisme implique ensuite que la lumière est déviée par cette déformation.

La relativité générale est revenue sur le devant de la scène à l'occasion de la diffusion des photos du trou noir M87 puis Sagittarius A*, car ces objets cosmiques sont de bons candidats pour vérifier cette théorie. Leur force de gravité est hors normes et permet de tester les hypothèses d'Einstein dans des conditions extrêmes. Résultat, les images obtenues correspondent à ce que les scientifiques avaient modélisé et prédit d'après les équations de la théorie d'Einstein, qui 100 ans plus tard, semble toujours d'actualité.

"Les masses de ces deux objets sont très différentes : dans le cas de Sagittarius A*, on a un trou noir de quelques millions de fois la masse du Soleil, alors que celui de M87 est un monstre de plusieurs milliards de fois la masse du Soleil. Et pourtant, ils ont à peu près la même tête. C'est exactement ce que prévoit la relativité générale". explique Frédéric Gueth, directeur adjoint de l'Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM), au Monde. "Nous avons été stupéfaits de voir à quel point la taille de l'anneau correspondait aux prédictions de la théorie de la relativité générale d'Einstein".

Le trou noir d'Interstellar, proche de la réalité ?

Les trous noirs existaient déjà comme des expériences de pensée lors des premières théories de la gravité, et notamment dans les travaux de Mitchell et de Laplace. Les premières tentatives de représentations visuelles des trous noirs datent d'une quarantaine d'années.

C'est le français Jean-Pierre Luminet qui est à l'origine de la première simulation d'un trou noir, en 1978, alors que les logiciels ne permettaient pas encore d'afficher les résultats des simulations graphiques. Depuis, les progrès en informatique ont permis des simulations et des vues d'artistes plus impressionnantes, parfois en mouvement. En 2014, le film de science-fiction Interstellar, réalisé par Christopher Nolan, contient une simulation d'un gigantesque trou noir. Le prix Nobel de physique Kip Thorne avait été consulté par l'équipe du film concernant le fonctionnement et la représentation du trou noir.

Pourquoi le nom "Trou noir" ?

Dans un trou noir, la gravité est telle que tout ce qui se trouve à proximité est attiré à l'intérieur et ne peut s'en échapper. Ainsi, par définition, un trou noir n'émet pas de lumière puisque même cette dernière ne peut pas s'en extraire. Autrement dit, pour s'échapper d'un trou noir, il faudrait atteindre une vitesse supérieure à celle de la lumière. C'est à cause de ces caractéristiques que le trou noir porte ce nom.