Les trous noirs, terrifiantes attractions (Confirmés)

Dans l'article néophyte, on a vu ce que n'était pas un trou noir, comment les trous noirs naissaient, leur structure et leur nombre. Néanmoins, certains éléments, plus complexes, ont été mis de côté. Pour en apprendre un peu plus, suivez le guide !

Cette photo, qui date de juillet dernier, est la première image d'un trou noir. Jusque là, on n'avait jamais observé un trou noir directement.

Mais la photographie consiste à capter la lumière que renvoie un objet : comment photographier quelque chose qui absorbe la lumière, sans la renvoyer ? Les chercheurs ont capté les rayonnements provenant des disques d'accrétions de deux trous noirs : Sgr A* et M 87*. Huit radiotélescopes ont été mobilisés aux quatre coins du monde, synchronisés à la fraction de seconde près, pour récupérer l'équivalent de 4 000 disques dur de 1 To (téraoctet) de données ! Finalement, les données de Sgr A* n'étaient pas exploitables, malgré sa plus grande proximité avec la Terre. Vous observez donc M 87*. 

Tout cela, pour obtenir une image de si mauvaise qualité ? Certes. Mais M 87* est situé... à 50 millions d'années-lumières de la Terre. Une année lumière, la distance que parcourt la lumière en une année, c'est 9 500 milliards de kilomètres ! Pour parcourir une année-lumière en avion (600 km/h), il nous faudrait 2 millions d'années. Avec un avion, il faudrait une centaine de billions d'années (une année et 14 zéros derrière) pour arriver à M 87*. Et pourtant, on a réussi à en faire une image !

Chez les trous noirs, c'est la taille qui compte

Les premiers sont les trous noirs stellaires. Ils sont créés sur une courte échelle de temps quand une étoile meurt et s'effondre (cf article néophyte). Le noyau de l'étoile doit peser au moins 3 masses solaires (une masse solaire, c'est la masse de notre soleil) pour créer un trou noir stellaire. Le plus massif connu fait 15 masses solaires.

Les suivants sont les supermassifs, principalement situés au centre des galaxies. Celui qui a été photographié il y a quelques mois se trouve au cœur d'une galaxie répondant au doux nom de galaxie M 87. Les trous noirs supermassifs pèsent entre quelques millions et quelques milliards masses solaires. On ne sait pas comment ils se forment. Ce n'est pas en se nourrissant de matière, car certains sont nés peu de temps après la naissance de l'Univers : ils n'auraient pas eu l'occasion d'absorber autant de matière.

Le dernier type connu sont les trous noirs intermédiaires, qui font entre 100 et 100 000 masses solaires : ils ont été découverts il y a quelques années. On ne sait pas pourquoi ils existent, car ils ne résultent ni de la mort d'une étoile classique, ni d'une formation précoce au sein de l'Univers naissant, comme les trous noirs supermassifs. Peut-être qu'en comprenant leur naissance, on pourrait mieux comprendre celle des supermassifs : certains scientifiques pensent que les intermédiaires donnent naissance aux supermassifs en s'agglutinant entre eux.

Une quatrième catégorie ?

Des théories émettent l'hypothèse d'une quatrième catégorie : les trous noirs primordiaux. Ils pourraient expliquer beaucoup de choses, notamment la trajectoire inexpliquée de certains astres, au sein même de notre système solaire. Ces trous noirs auraient été formés dans les premiers instants précédant la naissance de l'Univers. En ce temps là, la matière était si chaude et sous une telle pression, que la moindre fluctuation de la matière, le moindre mouvement, devait entraîner un effondrement gravitationnel, et donc, un trou noir.

Le problème, c'est qu'ils pourraient avoir un diamètre très variable : de quelques centimètres jusqu'au diamètres de trous noirs stellaires. Comment repérer quelque chose de si petit, dont la taille du disque d'accrétion serait donc proportionnellement aussi faible ? Là, il va falloir aborder une grande théorie, soutenue par un grand astrophysicien mort il y a peu : Hawking et ses rayonnements.

Des trous noirs pas si attractifs que ça ?

Deux grands noms de la physiques se sont intéressés aux trous noirs : l'un les a prédit, l'autre en a fait son principal objet de recherche : Albert Einstein, et Stephen Hawking. Tous deux divergent sur un paramètre important des trous noirs : leur force d'attraction.

Le premier, Albert Einstein, est à l'origine du modèle physique régissant toujours notre univers, dont l'une des lois fondamentales est E = MC2 (E égal M C au carré). Cette formule, qui semble simple, est une véritable révolution : E représente l'énergie, généralement en joule, M, la masse, généralement en kilogramme, et C la constante de la vitesse de la lumière. La véritable équation, donnée par Einstein, est plus M = E/C2, mais ce sera l'objet d'un autre article. Il s'est appuyé sur cette formule pour développer sa théorie de la relativité générale.

Cette théorie est une révolution : on a compris une des grandes règles de l'Univers. La physique a été la première touchée : E=MC2 permet par exemple d'expliquer d'où vient l'énergie du Soleil ! 

Le truc, c'est que d'après la relativité générale, rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière. Ayant déjà prévu l'existence de trous noirs bien avant qu'ils ne soient détectés avec l'image de M 87*, Einstein avait déclaré que rien ne pouvait échapper à leur attraction, même pas la lumière. Or, si rien ne peut aller plus vite que la lumière, rien ne peut s'échapper du trou noir.

C'était sans compter sur Stephen Hawking : en s'appuyant sur la physique quantique, il a déclaré que des particules arrivaient à s'échapper du trou noir. Ce sont des particules créées par les fluctuations quantiques du vide. Par paire, ces particules liées s'annihilent instantanément. Cependant, sous l'effet de la gravité du trou noir, une des deux, l'antiparticule se détacherait de sa paire avant même d'être annihilée et s'échapperait du trou noir. Ce rayonnement de particule, infime, serait détectable, mais pas encore en l'état actuel de la science. 

Léopold Picot

Nous n'avons pas abordé la question de l'effet d'un trou noir : si vous voulez aller plus loin, je vous encourage à cliquer ici !