Émergence des trous noirs
Quoi encore de plus fascinant pour l'avenir?












Plongée virtuelle
vers le trou noir



Ondes gravitationnelles

Il reste bien des questions à élucider sur la nature intime de ces oubliettes cosmiques: leur comportement aux limites de la science connue, leur évaporation, la possibilité de les fabriquer en miniature au laboratoire ainsi que les ondes gravitationnelles émises.

Voir l’astre invisible… Le défi
Aurons-nous, un jour, la satisfaction de les voir directement? Jusqu’ici, les trous noirs du cosmos se sont laissés piéger par des moyens détournés. La matière s’échauffe et tombe en spirale sur l’astre sombre. Son rayonnement constitue une signature. Mais au juste, à quoi ressemblerait une véritable image du phénomène? Et, comment observer un objet réputé aussi… invisible? On frise le défi impossible. Pourtant, les chercheurs songent déjà à un portrait détaillé. Les simulations en trois dimensions léguées par Jean-Alain Marck, de l’observatoire de Meudon, montrent le mouvement de la matière incandescente qui s’accumule en disque et les aberrations dues à l’intense gravité autour de l’astre. On suit le voyage fictif d’un astronaute dans sa plongée extrême. Les scientifiques s’intéressent à l’ombre que dessinerait l’objet passant devant le fond du ciel étoilé. Son disque se détache, en négatif, de l’arrière-plan. Les étoiles apparaissent comme déplacées par les distorsions de gravité. Apercevoir une telle silhouette au firmament reviendrait à distinguer une pièce d’un euro à des centaines de milliers de kilomètres. Une performance 10000 fois supérieure à celle d’un observatoire Hubble ou Chandra. Cependant, les effets de mirages – ou microlentilles gravitationnelles – se traduiront par d’infimes augmentations de brillance des étoiles de la Galaxie. Ils seront peut-être bientôt à la portée du Very Large Telescope lorsqu’il fera fonctionner de concert, en mode interférométrique, son quatuor optique. À plus longue échéance, deux projets spatiaux visent à vraiment déceler les ténèbres des trous noirs. Arise (Advanced Radio Interferometry between Space and Earth) se composera de deux grandes antennes de 25 mètres de diamètre, en film de polymère. Elles seront lancées vers 2008, par la Nasa. L’ensemble travaillera de manière cohérente, dans le domaine des ondes millimétriques, avec une dizaine de radiotélescopes au sol. Maxim (Micro-Arcsecond X-ray Imaging Mission), lui, représentera l’équivalent en rayons X. Il pourrait comprendre, à terme, une constellation de 33 satellites réflecteurs qui voleront en formation séparés par des distances allant jusqu’au kilomètre. Le détecteur sera placé en arrière, à 500 kilomètres. La Nasa prévoit de déployer un démonstrateur d’un mètre de dimensions, Pathfinder, à partir de 2010.

Recréer les micro-trous primordiaux
Mais les catastrophes de l’espace-temps ne posent pas que des problèmes techniques. Ces accrocs ou déchirures dans la texture de l’Univers se révèlent aussi des laboratoires de rêve pour tester la physique en conditions extrêmes. Car ces phénomènes hors-normes sont également les propres enfants de la gravité et de la relativité d’Einstein. Cependant, que se passe-t-il tout près de l’horizon ou au plus profond du gouffre? Le centre du trou noir, objet proprement inimaginable, possède une taille microscopique. Il ne peut être décrit que par les lois de la nature… à l’échelle de l’infiniment petit et des particules. Or ce domaine reste, par excellence, le royaume de la mécanique quantique. Et il s’avère incompatible avec la relativité générale ! Lorsque l’on tente de les réunir, ces deux démarches volent en éclats. Le cœur du trou noir est le théâtre d’une nouvelle science… à découvrir. Le temps s’y disloque. Par ailleurs, Stephen Hawking, de l’université de Cambridge, s’est penché sur un aspect intéressant: le rapport entre gravité intense et énergie fluctuante du vide. A petite échelle, l’espace est parcouru de paires de particules qui se créent et s’évanouissent. Or ces manifestations virtuelles au voisinage de l’horizon du trou noir suggèrent qu’un rayonnement pourrait tout de même être émis vers l’extérieur. Ainsi, la définition même de cet objet astrophysique passif pourrait être prise en défaut. Par une sorte d’effet tunnel, l’énergie parviendrait à s’échapper. Sera-t-on un jour capable de détecter une telle radiation associée, selon les calculs, à une température inférieure à un millionième de degré au-dessus du zéro absolu pour un trou noir de la masse du Soleil? Impossible, car l'Univers lui-même est beaucoup plus chaud: trois degrés au-dessus du zéro absolu
. De plus, le processus est très lent. La masse du Soleil concentrée en trou noir mettrait ainsi des milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de milliards d’années (1067 ans) à se disperser. Un temps infini au regard de l’âge actuel de l’Univers. Ceci laisse le loisir de s’interroger sur d’autres phénomènes - spéculatifs, mais tout aussi troublants - censés se manifester à très petite échelle. Selon certaines théories, qui s’aventurent au-delà du modèle standard de la physique des particules : la nature intime de trous noirs fait intervenir un scénario d’avant-garde, à base de supercordes et de dimensions supplémentaires de l’espace-temps. Si l’Univers possède de telles dimensions cachées à l’échelle du millimètre, il pourrait alors devenir possible de fabriquer des micro-trous noirs éphémères "à la demande" au laboratoire !.. Bien entendu, l’expérience sera difficile à réaliser. Mais on prévoit que la signature de ces supposés maelströms de taille microscopique serait décelée à travers les perturbations du comportement de particules portées à de très haute énergie dans les accélérateurs. La question commencera à être explorée à partir de 2007, avec le Grand collisionneur de hadrons de Genève. De tels micros-trous noirs ressembleraient à leurs homologues primordiaux que l’on soupçonne d’avoir peuplé le big bang et qui se seraient aussitôt évaporés.

Explosions d’ondes gravitationnelles
La relativité d’Einstein l’affirme : des masses en mouvement émettent des ondes d’un genre nouveau, liées à la gravité. Celles-ci se propagent. Elles secouent la trame de l’espace et du temps. Les trous noirs, bien sûr, n’échappent pas à la règle. Ils s’inscrivent parmi les meilleures sources potentielles pour engendrer ces frissons du cosmos. On s’intéresse, ici, à des trous noirs doubles qui se rapprochent pas à pas en une spirale infernale vouée à la collision et la fusion. Si l’on en croit le calcul, la quantité d’énergie libérée par le phénomène s’annonce prometteuse. Après les américains en Louisiane et dans l'état de Washington (LIGO), près de Pise, en Italie, les grandes antennes du détecteur d’ondes gravitationnelles franco-italien Virgo commencent juste à ouvrir cette fenêtre inédite sur l’Univers. On espère qu’elles donneront accès à une famille d’objets et de processus impossibles à percevoir autrement. Plus tard, vers 2015, il est envisagé de lancer une version spatiale de ce type d’instrument ultrasophistiqué et hyperprécis. Le projet s’appelle Lisa (Laser Interferometer Space Antenna). Il serait conduit comme une collaboration entre la Nasa américaine et l’Agence spatiale européenne ESA. Ses cibles privilégiées seront les soubresauts produits par de tels systèmes de trous noirs binaires - mais géants. "Virgo au sol sera sensible à des fréquences élevées, de l’ordre de 10 à 1000 hertz. Il constituera un outil de choix pour détecter le signal associé à une fusion de trous noirs de taille stellaire ou d’étoiles à neutrons au sein d’une galaxie située dans un rayon de 300 millions d’années-lumière autour de la Voie lactée", précise Éric Gourgoulhon du laboratoire Univers et théories, à l’observatoire de Meudon. "À l’inverse, l’observatoire spatial Lisa, lui, détectera des événements plus lents qui se déroulent sur des périodes allant de la dizaine de secondes à quelques heures. Il observera de nombreux couples d’étoiles naines blanches appartenant à la Galaxie et, probablement, des rencontres violentes de trous noirs supermassifs au cœur de galaxies extérieures qui sont entrées en collision. Sa sensibilité sera telle qu’il pourra, en principe, déceler les ondes gravitationnelles en provenance de ces derniers dans tout l’Univers. Enfin, on aimerait pouvoir enregistrer la signature intime et profonde du big bang. Mais là, rien n’est garanti. Ce sera peut-être l’affaire d’une troisième génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles à venir".


Pour en savoir plus :

Un test de la relativité générale dans le champ gravitationnel extrême des étoiles à neutrons - Communiqué de presse INSU du 22 mai 2006