Émergence des trous noirs
Qu’est-ce qu’un trou noir ?














Fabriquez vous-mêmes
votre trou noir!






Retour-arrière historique et petit décryptage saisissant.


La question a mis plus d’un siècle à être formulée correctement. Elle invite à pénétrer dans les arcanes de la gravitation et de l’espace-temps. Après les travaux fondateurs d’Isaac Newton, c’est le révérend et géologue britannique John Michell (1724 – 1793) qui, en 1784, a posé la première pierre. Son idée : les lois de l’attraction universelle s’appliquent non seulement à la matière mais aussi à la lumière, assimilée à un "courant de particules". Ainsi, la masse de tout astre – tels qu’une galaxie, le Soleil ou la Terre - serait amenée à dévier les rayons lumineux qui s’en approchent et passent près. Dès lors, la lumière ne se propage plus rigoureusement en ligne droite. En conséquence : il pourrait exister des astres tellement compacts (si massifs) que rien – pas même la lumière - ne parvient à s’échapper de leur intense force de gravité. En 1796, le marquis Pierre Simon de Laplace (1749 – 1827), mathématicien et physicien, reprendra et développera le concept dans son Exposition du système du monde. On parle alors d’étoiles invisibles ou "d’astres occlus". Dans cet ordre d’idée tout objet – même une vulgaire pierre ! - pourrait en principe se réduire à un trou noir… Il "suffirait" de le comprimer et de l’écraser afin de le faire tenir dans un volume assez petit et restreint. Éventuellement, minuscule. Ici, un seul paramètre physique prime. Il s’agit de la capacité du corps à assembler ses différents constituants de manière très serrée. Ce caractère "compact" se définit comme le rapport entre la masse et l’encombrement extérieur (la plus grande dimension mesurée). Un seuil critique existe (2G/c2, où G est la constante de gravitation de Newton et c la célérité de la lumière dans le vide). Au-delà, la matière s’effondre sous son propre poids. À son échelle imposante, notre chaud et brillant Soleil pourrait, aussi, se transformer en un gouffre profond : si l’on parvenait à faire entrer sa substance dans un volume de 3 kilomètres de rayon, 250 000 fois moindre qu’actuellement. De même, une Terre malmenée de la sorte viendrait au bout du compte à mesurer 2 centimètres de diamètre. cependant "compacité" n'implique pas "grandes densités". En effet, il n’est pas anodin de noter que les plus gros trous noirs de l’Univers, eux, rassemblent autant de matière que des millions ou des milliards de soleils au cœur des galaxies. Ils sont aussi denses que l’air ambiant que nous respirons.

Les enfants bien réels de la relativité
Ces raisonnements classiques sont très éclairants. Cependant, dans le détail, leur prédiction s’avère imprécise voire erronée. À l’ère moderne, la bonne manière – et en tout cas, la plus efficace - de décrire les trous noirs reste de recourir à la relativité générale d’Albert Einstein. Cette théorie fondamentale, publiée en 1915-1916, a donné un coup de fouet au concept. Le principe de base stipule que la force de gravitation qui sculpte l’Univers s’identifie à la courbure de l’espace et du temps. Quelques mois après l’avènement de ce solide pilier de la connaissance, l’astronome allemand Karl Schwarzschild (1873 – 1916) a trouvé la des première solution exacte des équations de la relativité. Elle correspond à un objet sphérique isolé. Quand son rayon est suffisamment petit il absorbe toute matière et lumière sans rien pouvoir émettre. Ironie de l’histoire : Einstein lui-même n’a jamais cru à la réalité de cette solution. Rejetée par certains, défendue par d’autres, cette solution formelle a posé de nombreux problèmes à la communauté scientifique. On doutait qu'elle puisse correspondre à un objet réel. En 1939 pourtant, les équations d’Einstein donneront tort à leur auteur. Le père de la bombe atomique Robert Oppenheimer et son collaborateur Hartland Snyder les utiliseront à leur tour pour prédire qu’en fin d’évolution une étoile massive idéalisée s’effondre sur elle-même et donne naissance à… un trou noir. Et c’est John Archibald Wheeler, de l'université de Princeton, qui introduira le terme imagé de trou noir en 1967. Ainsi l’auteur de la relativité a-t-il pu se laisser dépasser par les conséquences de son œuvre. Mais les trous noirs n’en restent pas moins un pur sous-produit de sa création.

L’espace et le temps s’effondrent
Les objets en question sont infiniment sombres. Toute lumière qui tombe dessus et s’en approche trop… s’évanouira à jamais. Rien ne sera réfléchi ni diffusé en sens inverse, par l’ouverture béante dans l’espace-temps. Un domaine privilégié se détache du reste de l’Univers. Il ne communiquera plus avec lui. Sa frontière – son "horizon", surface immatérielle qui le borde - équivaut à un aller-simple vers l’ailleurs. Passé cette limite, le billet retour n’est plus valable. Toute entrée est définitive. Une porte pour s’évader du présent… Le voyageur imprudent qui s’y aventurerait pourra ne s’apercevoir de rien en traversant la frontière du non-retour. Cependant, il se précipite vers sa fin inéluctable et ira s’écraser, suppose-t-on, au centre de l’astre. Or les trous noirs sont encore bien plus stupéfiants! Leur déconnexion du cosmos empêche même de s’intéresser à ce que leurs entrailles intimes nous cachent. Elles cacheraient une singularité ­ endroit où tout devient infini et où les lois de la physique, telles que nous les connaissons, cesssent de s’appliquer. Une formule amusante indique que la nature a horreur des singularités ou catastrophes physiques ‘nues’. Pour cette raison, elle dispose devant nos yeux un horizon pudique et donc toutes les singularités se trouveraient dans des trous noirs. Alors que le voyageur intrépide ne percevra pas son passage dans "l'au-delà gravitationel", un observateur éloigné ne pourra jamais le voir traverser l'horizon - il ne verra que les objets attirés se figer très progressivement près de l’horizon de l’astre. Il n’assistera pas au reste de la chute. On dit que l’écoulement du temps, de ce point de vue extérieur, semble ralentir et s’arrêter près, tout près de l’astre. Au passage de l'horizon, un phénomène troublant survient : le trou noir détruit l’information sur ce qu’il avale. Étoiles, gaz, galaxies, téléviseurs, vaisseaux spatiaux… Rien ne subsiste. Au final, l’astre se caractérise par quelques paramètres simples. Et aucune mémoire n’est conservée à propos de ce qu’il a englouti. Du point de vue de leur morphologie, les trous noirs les plus simples s’habilleraient d’un horizon en forme de ballon de football ou de sphère parfaite. Mais ils peuvent aussi tourner sur eux-mêmes et adopter un profil plus enrobé ou élargi, comme celui d’une clémentine.


En savoir plus…

L'environnement d'un trou noir supermassif révélé
Communiqué de presse CNRS - 29 septembre 2011

Des centaines de trous noirs manquants découverts
Communiqué de presse CNRS/CEA/Université Denis Diderot - 26 octobre 2007