La lumière à la (ra)masse

Rédigé par : Pauline Pichard

ASTRES • S’ils ont attiré l’attention de quelques physiciens au XVIIIe siècle, le mystère des trous noirs n’a été percé qu’au siècle passé. Une avancée que l’on doit principalement à Einstein et à sa célèbre théorie de la relativité générale.

Ils font incontestablement partie des objets célestes les plus fascinants du cosmos. Pourtant, les recherches approfondies sur les trous noirs ne remontent qu’au XXe siècle. Définis unanimement par leur champ gravitationnel si intense qu’aucune matière qui y pénètre ne peut en ressortir – y compris la lumière – les trous noirs ont d’abord fait l’objet de spéculations théoriques, bien avant d’être « observés » – quand bien même ils ne sont par définition pas visibles puisqu’ils ne peuvent ni émettre ni diffuser de la lumière.

De spéculations fantaisistes à révolutions astronomiques
De fait, c’est à Simon Laplace que l’on doit ces premières spéculations en 1796 dans son livre Exposition du Système du Monde. Il évoque en effet la possibilité que les plus grands astres lumineux puissent être invisibles, thèse qui laisse perplexe l’Académie des Sciences au point que sa démonstration soit qualifiée de fantaisiste par les astronomes de l’époque. Sceptiques sur les chances d’existence d’un tel objet, ces derniers abandonnent leurs recherches, et pour cause ; l’aporie à laquelle conduisent les expériences menées en la matière.

Laplace évoque la possibilité que les plus grands astres lumineux puissent être invisibles

Aussi faut-il attendre la première moitié du XXe siècle, et plus particulièrement la publication d’Albert Einstein sur la théorie de la relativité générale en 1915 pour faire un bond considérable dans la compréhension des trous noirs. À ce sujet, Éric Gourgoulhon, physicien au CNRS, vulgarise ce qu’une telle théorie a apporté à ce champ de recherche: « Dans cette théorie, l’espace n’est plus une entité absolue, mais une structure souple déformée par la matière ». Le physicien Karl Schwarzschild trouve quelques mois plus tard une solution à l’équation, qui parvient à déterminer le rayon de l’horizon d’un trou noir. Aussi, entre-t-il dans la définition d’un trou noir, étant donné qu’il peut être caractérisé comme le rayon d’une sphère à partir duquel la masse de l’objet est si compacte que la vitesse de libération est égale à la vitesse de la lumière. « Leur description ne tient qu’à trois paramètres », poursuit le chercheur, « la masse, la charge électrique et le moment cinétique ».

« Dans cette théorie, l’espace n’est plus une entité absolue, mais une structure souple déformée par la matière »

– Physicien, Eric Gourgoulhon

Une typologie des trous noirs
Georges Meylan, professeur honoraire d’astrophysique à l’EPFL, nous éclaire quant aux différents types de trous noirs : « Il existe des trous noirs dits supermassifs, qui se trouvent au centre de la galaxie et dont la présence provoque parfois l’apparition de jets et du rayonnement X. Les trous noirs primordiaux, eux, sont caractérisés par leur petite taille et se seraient formés durant le Big Bang, alors que les trous noirs intermédiaires ont une masse entre 100 et 10’000 masses solaires ». Les plus étudiés restent les trous noirs stellaires, de masse équivalente à trois masses solaires, et qui naissent à la suite de l’effondrement gravitationnel du résidu des étoiles massives. « Il s’agit de l’étape finale d’une explosion d’une étoile », simplifie l’astrophysicien.

Un champ de recherche en pleine expansion
Le XXe siècle a vu l’avènement de nombreuses théories, dont celle de Stephen Hawking, à qui l’on doit le rayonnement éponyme qui suggère que les trous noirs ne sont pas complètement noirs. Plus récemment, le Prix Nobel 2020 a été décerné à Andrea Ghez et Roger Penrose, à qui l’on doit la première « photo » prise en juin 2019. « Deux défis préoccupent les astrophysicien·ne·s contemporains », développe le physicien du CNRS : « Un premier, qui est observationnel, visant à l’amélioration de nos instruments de telle sorte à obtenir des images plus fines ; le second est d’ordre théorique, puisqu’il est question de tester les modèles de trous noirs dans d’autres modèles que la théorie générale ». Le but ? Déterminer si la théorie de la gravitation sous-jacente est bien en accord avec les prédictions de la théorie de la relativité générale. De quoi passionner les futures générations d’astrophysicien·ne·s.

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