Qu'est-ce qu'un trou noir ?
Un trou noir n'est ni un vide percé dans l'espace ni un aspirateur cosmique qui engloutirait tout. C'est un objet dans lequel une masse suffisante s'est concentrée dans une région minuscule, au point de courber profondément l'espace-temps. Il est entouré d'une frontière depuis laquelle aucune lumière ni aucun signal ne peut repartir vers l'extérieur. Cette frontière s'appelle l'horizon des événements. Le terme trou noir ne désigne donc pas un objet particulier, mais toute la classe des objets qui possèdent une telle frontière.
L'horizon des événements n'est pas une surface solide sur laquelle on pourrait se tenir. Vu de loin, le champ gravitationnel d'un trou noir ne diffère pas de celui de n'importe quel autre objet de même masse. Même si le Soleil était hypothétiquement remplacé par un trou noir de masse égale, la Terre conserverait une orbite presque identique. La différence ne devient importante qu'à très courte distance, là où les trajectoires de la lumière et jusqu'à l'écoulement du temps sont fortement déformés.
- Horizon des événements Frontière au-delà de laquelle l'information ne peut plus revenir vers l'extérieur
- Environ 3 km × masse solaire Ordre de grandeur du rayon de l'horizon d'un trou noir sans rotation
- Trois échelles observées Trous noirs de masse stellaire, intermédiaire et supermassifs
- Un objet invisible Révélé par les étoiles proches, le gaz chaud, les ondes gravitationnelles et son ombre
L'horizon des événements et la singularité sont-ils la même chose ?
L'horizon des événements est la frontière extérieure du trou noir, et non son centre. Dans le cas simplifié d'un trou noir sans rotation ni charge électrique, son rayon est proportionnel à sa masse. Il vaut environ 3 km par masse solaire : un trou noir de dix masses solaires possède donc un horizon d'environ 30 km de rayon. Concentrer une même masse dans un espace plus petit ne renforce pas automatiquement sa gravité à toute distance ; l'essentiel est que l'on peut s'approcher de régions qui se seraient auparavant trouvées à l'intérieur de la matière.
Les calculs de la relativité générale font apparaître au centre une singularité, où la densité et la courbure de l'espace-temps tendent vers l'infini. Cet infini peut toutefois signaler que notre théorie actuelle ne suffit plus dans de telles conditions. L'extérieur de l'horizon peut être mis à l'épreuve par l'observation, mais nous ne disposons pas encore d'une description complète de l'état de la matière à l'intérieur ni du centre lorsque la mécanique quantique est prise en compte. Les images qui représentent la singularité sous la forme d'une petite sphère noire simplifient une théorie ; ce ne sont pas des photographies.
Ce que nous avons directement détecté n'est pas une « masse de matière noire », mais des orbites stellaires, de la lumière déviée, du gaz chaud et des ondes gravitationnelles autour d'une région invisible et extrêmement compacte.
Comment classe-t-on les trous noirs selon leur masse et leur taille ?
Les trous noirs de masse stellaire contiennent généralement de quelques à quelques dizaines de fois la masse du Soleil. Ils peuvent se former lorsque le cœur d'une étoile massive a épuisé son combustible et ne résiste plus à l'effondrement sous sa propre gravité. Ils peuvent ensuite grossir en captant le gaz d'une étoile compagne ou en fusionnant avec un autre objet compact.
Les trous noirs supermassifs possèdent de quelques centaines de milliers à plusieurs milliards de masses solaires, voire davantage, et occupent le centre de la plupart des grandes galaxies. Sagittarius A*, au centre de la Voie lactée, et le trou noir central de M87 en sont des exemples. Aucune explication unique ne permet encore de savoir à partir de quelles graines ils sont apparus dans l'Univers jeune ni comment ils ont grandi aussi vite.
Entre ces deux domaines se trouvent des candidats au titre de trous noirs de masse intermédiaire, estimés entre quelques centaines et quelques centaines de milliers de masses solaires. Certains ont été repérés grâce à de puissants rayons X ou aux mouvements d'étoiles, et des restes de fusion dépassant 100 masses solaires ont également été observés. Chaque candidat doit néanmoins être confronté à d'autres explications, comme un autre type d'objet ou un amas d'étoiles. Les trous noirs primordiaux, qui auraient pu se former dans l'Univers jeune, restent une possibilité théorique non confirmée.
Comment les trous noirs grandissent-ils et font-ils briller leur environnement ?
Un trou noir n'émet ni ne réfléchit lui-même la lumière. Le gaz voisin ne tombe pourtant pas simplement en ligne droite. Lorsqu'il possède un moment cinétique, il peut tourner autour du trou noir et former un disque d'accrétion aplati. La friction et la compression y chauffent la matière jusqu'à lui faire émettre des ondes radio, de la lumière visible, des ultraviolets et des rayons X. La lumière intense que nous observons provient de matière encore située à l'extérieur de l'horizon des événements.
Autour de certains trous noirs, les champs magnétiques redirigent une partie de la matière du disque en jets rapides le long de l'axe de rotation. Ces jets ne s'échappent pas de l'intérieur de l'horizon : leur matière est déviée par le disque et les champs magnétiques avant de le franchir. Tous les trous noirs ne possèdent pas non plus en permanence un disque lumineux et des jets. Un trou noir presque privé de matière peut être extrêmement sombre et ne se révéler que par son influence gravitationnelle sur les objets voisins.
Comment confirmer l'existence d'un trou noir invisible ?
| Méthode d'observation | Signal réellement observé | Ce qu'il permet de connaître |
|---|---|---|
| Orbites des étoiles et du gaz | Mouvement rapide autour d'un point invisible | La masse centrale et la taille de la région qui la contient |
| Lumière du disque d'accrétion | Émissions radio, visibles et X du gaz chaud | La température, la vitesse et le champ magnétique de la matière entrante, ainsi que la position du candidat |
| Lentille gravitationnelle | Une étoile d'arrière-plan s'éclaircit et se décale lorsqu'une masse invisible passe devant elle | La masse d'un candidat sombre dépourvu d'étoile compagne |
| Ondes gravitationnelles | Ondulations de l'espace-temps produites lorsque deux trous noirs spiralent puis fusionnent | Les masses et les rotations avant et après la fusion, ainsi que la distance |
| Imagerie à l'échelle de l'horizon | Anneau lumineux formé par la lumière courbée autour d'une ombre centrale | Comparaison de la masse et de la taille avec les prédictions de la relativité générale en gravité intense |
Le disque sombre photographié par l'EHT est-il l'horizon des événements ?
L'Event Horizon Telescope (EHT) relie des radiotélescopes répartis sur plusieurs continents afin qu'ils fonctionnent comme un télescope virtuel de la taille de la Terre. Il a publié en 2019 l'anneau autour du trou noir central de M87, puis en 2022 celui de Sagittarius A* au centre de la Voie lactée. La zone sombre centrale n'est pas une photographie de la surface de l'horizon. C'est l'ombre du trou noir, plus sombre que son environnement parce que la forte gravité courbe et capture une partie de la lumière.
L'ombre paraît plus grande que l'horizon des événements. La lumière venue de derrière le trou noir peut être courbée jusqu'à nous, tandis que celle qui suit certaines trajectoires en fait plusieurs fois le tour et crée un anneau brillant. Le résultat essentiel est que la taille et la forme des anneaux observés par l'EHT correspondent aux prédictions de la relativité générale calculées à partir des masses. Ces images ne montrent pas l'intérieur du trou noir : elles résolvent l'espace-temps et le plasma chaud immédiatement à l'extérieur de l'horizon.
Un trou noir engloutit-il tout ce qui se trouve à proximité ?
Les objets suffisamment éloignés d'un trou noir peuvent conserver une orbite stable, comme autour de n'importe quelle autre masse. Pour tomber vers l'intérieur, la matière doit perdre de l'énergie et du moment cinétique lors de collisions avec d'autres matériaux ou par frottement dans un gaz. C'est pourquoi les nombreuses étoiles du centre galactique tournent autour du trou noir au lieu d'y plonger directement.
À très courte distance, le danger vient de la force de marée, c'est-à-dire de la différence de gravité entre le côté proche et le côté éloigné d'un objet. Le petit horizon d'un trou noir de masse stellaire fait croître rapidement cette différence à l'approche, au point de pouvoir étirer et déchirer l'objet avant qu'il n'atteigne l'horizon. L'horizon d'un trou noir supermassif est beaucoup plus grand, si bien que la force de marée à la frontière peut être plus faible ; tout ce qui la franchit perd néanmoins de la même manière toute possibilité de retour.
Que savons-nous et que reste-t-il à comprendre ?
Les orbites stellaires, les binaires X, les images de l'EHT et les observations d'ondes gravitationnelles montrent, dans des domaines de masse très différents, que des régions extrêmement compactes et sombres se comportent comme les trous noirs prédits par la relativité générale. Leurs masses, leurs rotations et les mouvements de la matière environnante sont mesurés avec une précision croissante.
Nous ignorons encore comment décrire l'information et la matière à l'intérieur de l'horizon, comment une théorie quantique doit remplacer la singularité et quelles graines ont donné naissance aux premiers trous noirs supermassifs. Un trou noir n'est ni un objet dont nous ne savons rien, ni un objet dont toutes les questions seraient résolues. Son extérieur observable relève d'une science de précision, tandis que son intérieur et ses origines restent à la frontière de la physique moderne.