Émergence des trous noirs
De tels gouffres existent-ils vraiment ?








Mort d'une étoile massive


Super éruption X
dans le Sagittaire



Le microquasar crache
et tousse



Un trou noir au cœur
de la Voie lactée


Toupie infernale
du trou noir



Nombreux sont les candidats identifiés dans le cosmos.

Jusqu’à récemment les trous noirs sont apparus comme autant d’objets vertigineux ou de science-fiction. Mais, pour les astronomes ils existent bel et bien. Notre galaxie, la Voie lactée, à l’instar de ses congénères, serait remplie de centaines de millions d’entre eux sous forme de restes d’étoiles mortes. D’autre part, sur ce premier décompte, des milliers d’astres binaires, sources de rayonnements énergétiques, en abriteraient aussi. Ensuite, le centre de notre univers-île, lui, recèlerait un monstre de 3 millions de masses solaires. C’est l’un de ceux dont l’existence est la mieux établie à ce jour. Enfin, toutes les galaxies du cosmos hébergeraient un géant calme ou actif, plus ou moins facile à repérer. Le défi réside, bien sûr, dans la difficulté d’identifier un tel astre… invisible. Impossible de lui arracher une once d’information. Cependant, il se trahit par son influence sur son entourage et la colossale force de gravité qui attire gaz et astres alentours. Ici, les trous noirs s’avèrent d’extraordinaires machines à transformer la matière en énergie. Le rendement atteint 6% à 40%! A comparer avec les moins de 1 % des réactions de fusion au cœur des étoiles ou 0,1 % de la fission de l’uranium dans nos centrales nucléaires. En s’approchant de l’objet, la matière virevolte autour de lui à des vitesses proches de celle de la lumière. Elle se concentre en un disque, s’échauffe et émet un puissant rayonnement. C’est ce "chant du cygne" ou "lumière de la mort" qui confond alors le suspect. La gravité en jeu constitue une empreinte pièce à conviction. En tombant sur lui, la matière acquière une phénoménale énergie. Le trou noir est bien sombre. Oui. Mais, son environnement peut briller intensément.

Destin d’étoiles
Les étoiles de l’Univers tirent leur éclat de leur gravitation. La durée de leur vie est déterminée par le feu de la fusion thermonucléaire qui s’opère en leur cœur. L'hydrogène dans leur centre épuisé, elles enflent et deviennent des géantes rouges. Trois scénarios se distinguent alors. Si l’étoile initiale était "frêle", de masse inférieure à environ huit fois celle du Soleil, son enveloppe se disperse dans l’espace. Il reste, au centre, une naine blanche grosse comme la Terre et entourée d’une nébuleuse planétaire. En revanche, si l’astre de départ affichait un gabarit plus conséquent, la fin de l’histoire s’avère beaucoup plus dramatique. L’étoile explose en supernova. Son cœur peut devenir une étoile à neutrons : objet hyperdense, noyau atomique géant de la taille d’une ville lié par la gravité. Toutefois, si l’astre de départ possédait une masse supérieure à environ vingt-cinq fois celle du Soleil, le résidu devient un trou noir d'environ 10 fois celle du Soleil. Son horizon s’étend sur 60 kilomètres de diamètre et le chiffre croît avec la masse. D’un point de vue synthétique, la distinction entre les vestiges d’étoiles se fera en notant que : les naines blanches ne dépassent guère 1,4 masse solaire. Les étoiles à neutrons rencontrent une limite à 3 masses solaires. Au-dessus, tout ce qui se forme correspondrait au mythique trou noir.

Couples d’étoiles X
Voici les premiers candidats historiques au titre de trou noir. Cette catégorie d’objets se compose de couples d’astres liés par la gravité et qui se tournent autour comme les danseurs d’un ballet. Un membre de ces "systèmes binaires serrés" est compact : étoile à neutrons ou trou noir, cadavre d’étoile disparue. Parfois, des transferts de matière s’opèrent depuis l’étoile normale vers le compagnon compact. Ils provoquent l’émission de violentes bouffées d’énergie. En un an, l’équivalent d’un millième de la masse de la Terre peut ainsi passer de l’un à l’autre. L’étoile classique voit son atmosphère aspirée. Des lambeaux de gaz se détachent et s’enroulent en tourbillon autour du voisin vorace. Il se forme un disque de matière très chaude. La température dépasse 10 millions de degrés et l’émission de rayons X ou gamma représente jusqu’à 100 000 fois l’éclat du Soleil. Il a fallu atteindre 1962 et la fusée expérimentale Aerobee pour que l’Italo-américain Riccardo Giacconi (futur directeur de l’observatoire européen austral et prix Nobel de physique 2002 pour cette découverte) découvre dans la constellation du Scorpion la première source X du ciel : Scorpius X-1. Depuis 100 000 autres ont suivi. Les plus brillantes sont des systèmes binaires de la Galaxie. Mais toutes n’incluent pas forcément un trou noir. C’est d’ailleurs-là la difficulté. On distingue pêle-mêle : des émissions continues, des signaux périodiques de pulsars, de brefs et brusques sursauts et des phénomènes transitoires qui durent des mois avant de s’éteindre pendant des dizaines d’années. Mais comment faire le tri ? Et, surtout, comment distinguer le trou noir de l’étoile à neutrons, séparer le bon grain de l’ivraie ? Ici, tout le travail repose sur une analyse méticuleuse et fine des variations du rayonnement enregistré à l’aide de la panoplie de détecteurs embarqués sur les satellites sensibles aux rayons X, Chandra (Nasa) et XMM-Newton (ESA), ou gamma, Integral (ESA). Des critères existent pour distinguer les deux types d’astres en concurrence. Les étoiles à neutrons possèdent une surface ou "croûte" solide. Alors que les trous noirs absorbent, immanquablement, le rayonnement du voisinage. Un autre élément de choix porte, lui, sur les caractéristiques précises de l’astre compact. En dessous de 3 masses solaires, c’est probablement une étoile à neutrons. Au-dessus plus rien ne peut faire barrage à la gravité; trou noir patenté. À ce jour, une vingtaine de candidats ont été retenus. Leur masse va de 3 à 18 masses solaires. Cygnus X-1, le plus connu, a été détecté au début des années 1970 par le satellite Uhuru. Score : 10 masses solaires. V404 du Cygne avoisine 12 masses solaires. Le microquasar GRS 1915+105 de l’Aigle, cher à Félix Mirabel du CEA de Saclay, flirte avec 14 masses solaires. Ce chercheur l’a découvert en 1993 puis suivi en ondes radio, avec le Very Large Array, et en rayons gamma, avec le télescope spatial franco-russe Sigma.

Le cœur de la Voie lactée
Vient le tour du trou noir massif qui occuperait le cœur de notre Galaxie, la Voie lactée. Ces dernières années, une foule d’observations se sont accumulées en sa faveur. La polémique durait. Certaines équipent croyaient apercevoir la signature du trou noir. D’autres, non. Les contreparties attendues - en lumière visible, infrarouge, rayons X ou gamma – n’étaient pas toujours au rendez-vous… L’interprétation restait difficile et discutée. C’en est fini de ces longs débats. Le trou noir géant qui trône au centre de notre belle Galaxie spirale aura résisté avant de se livrer. Il réside donc à 28 000 années-lumière de distance du Soleil. L’histoire de sa découverte a commencé avec la détection d’une source radio très fine à cet endroit. Un point brillant. Sagittarius A*, c’est son nom car le centre de la galaxie se trouve dans la constellation du Sagittaire, est depuis devenu célèbre. Il ne s’est plus écoulé une année sans qu’il soit épié. Sgr A* a été longuement observé dans presque toutes les gammes de rayonnement : depuis les ondes radio, en passant par l’infrarouge et jusqu’aux rayons X et gamma. Seule sa lumière visible est absorbée par les nuées de poussière opaques et denses présentes entre les étoiles. Le coup de maître est venu des plus grands télescopes : Very Large Telescope (VLT) européen du Chili et l'américain Keck à Hawaï. L’un des quatre instruments de 8 mètres de diamètre avait été équipé de l’optique adaptative française Naos (Nasmyth Adaptative Optics System) et de la caméra allemande Conica (Coudé Near Infrared Camera). Le résultat ? Les images des régions centrales de la Voie lactée révèlent clairement le mouvement individuel des étoiles à cet endroit. La précision obtenue est telle que l’on peut suivre la trajectoire des astres. Certaines vitesses atteignent 5 millions de kilomètres/heure ! Le film ainsi réalisé montre qu’au cours de sa course une étoile particulière, S2, semble dessiner une boucle fermée (ellipse) qu’elle parcourt en 16 ans (les américains ont obtenu des résultats similaires avec leur télescope de 10 mètres). Comment expliquer une telle dynamique, sans un énorme centre attractif qui dévie les étoiles de la ligne droite ? L’objet ‘pèserait’ 3 millions de masses solaires. Il tient, à ce jour, dans des dimensions trois fois plus grandes que le diamètre de notre Système solaire. Et la traque n’est pas terminée. Chaque année apporte son nouveau lot de données.

Noyaux de galaxies actives
Reste que le trou noir central de notre galaxie est tout de même assez calme. Pour cette raison, il a donné du fil à retordre à ses aficionados. Mais ce n’est pas le cas de tous confrères nichés au cœur des autres galaxies de l’Univers. Certains montrent des signes très ostensibles de la puissante source d’énergie qui les animent. Elle se caractérise par une émission lumineuse intense – qui peut rivaliser avec 30 milliards de soleils – et des fluctuations observables dans tous les domaines, depuis les ondes radio jusqu’aux rayons gamma. En outre, il y a le cas des galaxies elliptiques géantes. Centaurus A, notamment, brille de la lumière de 100 milliards d’étoiles. Elle vient de fusionner avec une voisine spirale. Et un jet de matière s’échappe de son noyau à une vitesse proche de celle de la lumière. Comment expliquer cette structure et son mouvement, sinon par l’action vigoureuse d’un trou noir d’un milliard de masses solaires dont la gravité contribuerait indirectement à l’accélérer ? De même, Messier 87 de la constellation de la Vierge est l’une des plus grandes galaxies connues. Population : 500 milliards de soleils. Son noyau abriterait l’un des plus gros trous noirs, de la taille de notre Système solaire. Et un fin jet de gaz s’enfuit du cœur. Quarante fois plus éloigné, le brillant quasar (objet quasi-stellaire, quasi-stellar object) 3C273 de la Vierge montre un long appendice similaire qui s’étend sur 3 millions d’années-lumière. De son côté, la radio galaxie 3C296, du Bouvier, exhibe deux jets opposés qui se terminent en lobes diffus dans le milieu ambiant. Ces exemples en attestent: les manifestations d’activité, liée à des éjections de matière ou non, abondent dans le centre des galaxies. Par ailleurs, les recensements menés dans le registre des rayons X et gamma font apparaître que plus de trente galaxies à noyau actif puiseraient leur force dans un trou noir d’un million à un milliard de masses solaires. Et le chiffre grimpe. En 1969, le Britannique Donald Lynden-Bell avait émis l’idée que toutes les galaxies actives posséderaient un tel gouffre en leur cœur. Le présage semble se confirmer.

Noyaux de galaxies calmes
Mais qu’en est-il des autres galaxies, plus sereines, qui dominent dans l’Univers local ? Leur cœur ressemble-t-il à celui de notre Voie lactée qui en fait partie ? Il diffère apparemment des noyaux de galaxies actives au rayonnement plus intense et variable. Mais il pourrait aussi abriter un trou noir. Ici, un début de réponse a été apporté, en ce sens, dès 1974 par le Britannique Lord Rees, de l’université de Cambridge. Il postule que tous les univers-îles du cosmos hébergeraient un trou noir supermassif en leur cœur. La seule différence tiendrait alors à ce que l’affamé se montre dans une période où il se nourrit ou non. Autrement dit, le cœur de notre Galaxie a peu d’étoiles et de gaz à se mettre sous la dent actuellement. Mais cela pourrait évoluer. Au gré de leur évolution, les galaxies peuvent être amenées à frôler une voisine. Ce qui déclenche une vague de perturbation et peut, le cas échéant, alimenter le trou noir central en matière fraîche, gaz et étoiles. Bref, l’hypothèse trou noir apparait également probable : même pour les galaxies impassibles. Et le test a été passé avec succès. Des dizaines d’objets ont été scrutés. Le mouvement de la matière a été sondé. Certaines galaxies ont eu les honneurs du télescope Hubble. À chaque fois, le diagnostic est identique. Les mouvements à vive allure décelés suggèrent qu’un trou noir d’un million à un milliard de masses solaires occupe le noyau de l’astre hôte. La grande spirale d’Andromède, près de la Voie lactée, a aussi son gouffre. NGC4258 des Chiens de Chasse est une galaxie spirale distante de 20 millions d’années lumière. Les dix antennes radio du Very Long Baseline Array se sont concentrées sur l’émission intense (maser) du disque de matière centrale. Le résultat? Des vitesses de 4 millions de kilomètres/heure ont été enregistrées. C’est dit, un trou noir de 40 millions de masses solaires hante les lieux.