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📰 Pourquoi et comment étudie-t-on les trous noirs ?

📰 Pourquoi et comment étudie-t-on les trous noirs ? – Nouvelle mise à jour 2023

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Entre la première image de trou noir en 2019, les prix Nobel de physique récompensant des travaux sur les trous noirs en 2015 et 2020 et l’image du trou noir au centre de notre galaxie en 2022, ces objets célestes défraient la chronique depuis quelques années ! Mais malgré les progrès de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d’après le dictionnaire…), ils restent encore très mystérieux. Leur étude, au-delà de nous les rendre plus familiers, pourrait permettre de faire évoluer la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de…) générale et de mieux comprendre la formation des galaxies.

Marta Volonteri, chercheuse CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand…) à l’IAP et Thibaut Paumard, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la…) CNRS au LESIA, nous brossent le portrait de ces objets fascinants. “Le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson,…) est certainement l’un des objets de l’Univers (L’Univers est l’ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) les moins bien connus, déclare Marta Volonteri. Comment se forme-t-il ? Comment se met-il à tourner ? C’est un domaine où on a beaucoup de théories mais peu de certitudes, ce qui le rend passionnant à étudier !”

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Gauche: Image du trou noir supermassif M87*
© EHT / Droite: Image du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense…) Sagittarius A*
© EHT Collaboration.
Les trous noirs se trouvent au centre des disques d’accrétion (L’accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l’accroissement par…) lumineux

Un trou noir est un objet céleste (Un astre, ou objet céleste est un objet de l’Univers. Les règles d’accès et…) qui piège toute forme de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d’émission ou de…). Cela est dû à sa compacité, c’est-à-dire à son rapport masse/taille très élevé, qui crée un champ (Un champ correspond à une notion d’espace défini:) gravitationnel si intense qu’aucun rayonnement ne peut s’en échapper. Cela est aussi valable pour la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses…). On le dit “noir” car il ne peut ni émettre, ni diffuser de lumière (La lumière est l’ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l’œil…). Il possède un “horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l’on peut observer, du fait de sa propre…) des évènements” qui est la limite au-delà de laquelle on entre dans la zone de non-retour.

Il existe des trous noirs de différentes tailles. Les plus petits (de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un…) inférieure à deux fois la masse du Soleil) se seraient formés peu après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a…), mais leur existence n’est pas encore confirmée à l’heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur…) actuelle. Il y a ensuite les trous noirs de quelques masses solaires qui sont créés suite à l’effondrement gravitationnel d’une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une…) massive (Le mot massif peut être employé comme 🙂. On parle de trous noirs stellaires. Enfin, les trous noirs au centre des galaxies ont une masse pouvant atteindre plusieurs milliards de fois celle du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l’étoile…). Il s’agit de trous noirs supermassifs, comme celui au centre de la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois…). Entre ces deux dernières échelles, il existerait des trous noirs de masse intermédiaire avec une masse de quelques milliers de masses solaires.

En 2017, des astronomes découvrent, au centre d’une galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec…) située à 13,1 milliards d’années-lumière, un quasar (Une « source de rayonnement quasi-stellaire » (quasar), (quasi-stellar radio…) (un trou noir entouré d’un amas de galaxies (Un amas de galaxies est l’association de plus d’une centaine de galaxies liées entre elles par la…) très lumineux). Le trou noir en son centre fait 800 millions de masses solaires. Ce géant, baptisé J1342+0928, est le plus lointain jamais détecté et donc le plus vieux puisque la lumière des galaxies qui l’entourent a mis 13,1 milliards d’années à nous atteindre. Il est donc presque aussi vieux que l’Univers (13,8 milliards d’années) ! Les trous noirs s’évaporent et finissent par disparaitre: les plus massifs sont donc aussi ceux qui durent le plus longtemps. “Ce sont des déchets de très longue durée, plaisante Thibaut Paumard. Comme ils ont une espérance de vie (L’espérance de vie est une donnée statistique. Elle est censée permettre de connaître la durée…) beaucoup plus longue que les autres objets célestes, on imagine qu’un jour (Le jour ou la journée est l’intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c’est la…) l’Univers pourrait n’être qu’un vaste champ de trous noirs”.

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Vue d’artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l’un des métiers ou activités…) du trou noir J1342+0928.
© Robin Dienel / Carnegie Institution for Science

Les trous noirs étant invisibles, comment les a-t-on découvert ? Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou…) commence en 1783 avec l’astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l’étude de l’astronomie.) John Michell. Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre…) ayant supposé que la lumière est constituée de particules, Michell en conclut que la lumière devrait être soumise, comme toute particule, à la gravitation (La gravitation est le phénomène d’interaction physique qui cause l’attraction…). C’est alors qu’il imagine des corps si compacts que leur champ de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) attirerait la lumière et l’empêcherait de s’échapper. Autrement dit, des trous noirs, qu’il baptise “étoiles noires”. Il explique également que ces corps invisibles pourraient être détectés grâce aux effets de leur champ de gravité. Mais, dans la mécanique newtonienne (La mécanique newtonienne est une branche de la physique. Depuis les travaux d’Albert Einstein,…), la gravitation n’est pas censée affecter la lumière et c’est pourquoi il faut attendre la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale…) d’Einstein, au début du 20ème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui…), pour que le concept puisse être vraiment théorisé.

S’il est impossible d’observer directement un trou noir, sa présence peut être déduite par plusieurs méthodes indirectes. La première: détecter l’influence de son champ gravitationnel sur les étoiles qui l’entourent. En 2018, l’instrument Gravity du Very Large Telescope observe l’étoile S2 au moment où elle passe au plus près du trou noir super-massif Sagittarius A* qui se trouve au centre de la Voie lactée.

Les scientifiques mettent alors en évidence, pour la première fois, le rougissement gravitationnel, prédit par la relativité générale d’Einstein. Ce terme désigne le retard que subit un signal ( Termes généraux

Un signal est un message simplifié et généralement codé.

Il existe…) se propageant dans un champ de gravité très fort, et qui se traduit par un décalage de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus…) d’ondes, détectées par l’instrument de mesure (En physique et en sciences de l’ingénieur, mesurer consiste à comparer une grandeur…), vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait…). La précession (La formule mathématique qui décrit la précession d’une quantité s’écrit) de Schwarzschild, qui modifie la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n’importe quel point d’un objet en mouvement, et…) de l’étoile S2 autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne…) de Sagittarius A*, est également mesurée par Gravity. L’orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l’espace un corps…) de S2 précesse, ce qui signifie que le périgée de son orbite autour du trou noir change à chaque rotation, de sorte que l’orbite suivante est en rotation par rapport à la précédente, générant l’aspect d’une rosette. C’est la première fois que cet effet est mesuré pour une étoile en orbite autour d’un trou noir supermassif et les résultats sont en parfait accord avec les prédictions de la relativité générale.

La deuxième technique a recours au disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une…) d’accrétion. Il s’agit d’un disque de matière – attirée là par le champ de gravité très intense du trou noir et qui gravite autour de lui – juste au-delà de l’horizon des évènements. Au sein du disque d’accrétion, les collisions de matière entrainent une dissipation d’énergie (Dans le sens commun l’énergie désigne tout ce qui permet d’effectuer un travail, fabriquer de la…) et l’émission de rayons X. C’est ce rayonnement qui permet, en 2019, d’obtenir la première image d’un trou noir. Il s’agit de M87*, trou noir supermassif situé au coeur de la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d’étoiles, de gaz, de poussières et de…) M87 (M87 (aussi appelé Virgo A ou NGC 4486) est une galaxie elliptique géante située au…). Trois ans plus tard, c’est le trou noir Sagittarius A* qui révèle son visage au monde (Le mot monde peut désigner 🙂. Cet exploit est rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l’image 2D (équivalent d’une photographie)…) possible grâce à un télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant…) d’un genre nouveau: l’Event Horizon Telescope, un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d’équipements reliés entre eux pour échanger des…) de onze radiotélescopes situés à travers le monde, doté d’une sensibilité et d’une résolution spatiale jamais obtenues auparavant.

Enfin, les ondes gravitationnelles permettent, depuis quelques années, de repérer des systèmes binaires de trous noirs. Einstein avait prédit que les évènements très énergétiques de l’Univers, comme la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d’un corps de l’état solide vers l’état…) de deux trous noirs, produiraient des ondes gravitationnelles qu’on pourrait détecter. Mais il s’agit de signaux très faibles qui nécessitent des instruments de grande précision. En 1992, une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue…) construit un interféromètre (Ligo) et commence à chercher des ondes gravitationnelles tout en améliorant son instrument. L’interféromètre est doté de deux faisceaux laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)…) qui, en se recombinant, produisent des interférences qui sont détectées sur une photodiode (Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du…). Si une onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont…) atteint l’interféromètre, elle va perturber le chemin des faisceaux, ce qui va modifier la figure d’interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d’interférences lorsque deux ondes de même type…). Et en 2015, ça marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un…) ! L’équipe détecte des ondes gravitationnelles dont la forme correspond à ce que prédit la relativité générale pour la fusion de deux trous noirs et l’effet provoqué par le trou noir en résultant. Ces trous noirs, qui font chacun 30 fois la masse du Soleil, se trouvent à 1,5 milliards d’années-lumière de nous.

“On ne peut pas encore confirmer à 100 % qu’il s’agit de trous noirs puisque l’observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les…) directe est impossible, rappelle Thibaut Paumard. Mais pour l’instant (L’instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L’instant n’est pas…), les seuls objets qui correspondent à ces observations et qui entrent dans le cadre de la relativité générale sont les trous noirs. Un des intérêts de ces objets, justement, est qu’ils pourraient révéler des limites de la relativité générale.” Certains scientifiques pensent, en effet, que la relativité générale ne peut pas tout expliquer et qu’une nouvelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,…) plus performante finira par émerger, permettant, notamment, de réunir relativité générale et mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d’étudier et de…).

“L’autre raison pour laquelle les trous noirs nous intéressent est que les formations des galaxies et de leurs trous noirs sont intimement liées, révèle Marta Volonteri. Il y a notamment une corrélation entre la masse des trous noirs supermassifs et la masse du bulbe (Un bulbe est une pousse souterraine verticale disposant de feuilles modifiées utilisées…) des galaxies (la partie plutôt sphérique au centre), mais on ne sait pas pourquoi.” Et ce n’est qu’une des questions que se posent les scientifiques. Pourquoi et comment se forment les trous noirs au centre des galaxies ? Qui, du trou noir ou de la galaxie, se forme en premier ? Comme ces trous noirs évoluent-ils et quelle est leur influence sur la galaxie ? On sait qu’ils produisent beaucoup d’énergie et que celle-ci influence les propriétés des gaz (Un gaz est un ensemble d’atomes ou de molécules très faiblement liés et…) de la galaxie qui, eux-mêmes, modèrent le taux de formation des étoiles. Les galaxies seraient donc très différentes sans trou noir central. À noter que si, pour l’instant, toutes les galaxies massives découvertes ont un trou noir supermassif central, les scientifiques n’ont pas encore trouvé de galaxie naine (Une galaxie naine est une petite galaxie composée de l’ordre de 10 milliards d’étoiles, un nombre…) en possédant.

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Le bulbe galactique de M81, en blanc, occupe le centre de la galaxie.
© NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de…), ESA and the Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en…) Heritage Team

“L’instrument Gravity est en cours d’amélioration jusqu’en 2024 pour devenir Gravity+, explique Thibaut Paumard. Cette version évoluée permettra d’étudier des centaines, voire des milliers de trous noirs à assez grande distance et de remonter jusqu’à l’époque du pic de formation des trous noirs (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense…). Petit à petit, on reconstruit leur histoire.”

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