Hanane Sebbata

Faculté des Sciences de Rabat,
 e-mail han.seb@caramail.com

De tous les phénomènes astronomiques, celui des trous noirs est sans doute le plus fascinant. Tout le monde en a sûrement entendu parler, mais peu de personnes ne savent vraiment de quoi il en retourne.
Ce concept remonte à 1796 lorsque le marquis français Pierre Simon de Laplace, mathématicien, philosophe et astronome passionné par la mécanique céleste et la gravitation, écrivit dans son Exposition de Système de Monde : « Un astre lumineux, de la même densité que la Terre, et dont le diamètre serait 250 fois plus grand que le soleil, ne permettrait en vertu de son attraction, à aucun de ses rayons de parvenir jusqu'à nous. Il est dès lors possible que les plus grands corps lumineux de l’univers puissent, par cette cause, être invisibles ».
Il présentera sa thèse devant l’auditoire de l’Académie des Sciences mais ceux-ci resteront sceptiques sur les chances d’existence d’un tel objet.
Ainsi naquit le concept du trou noir mais la démonstration mathématique de Laplace semblait fantaisiste aux yeux des astronomes.

QU’EST-CE QU’UN TROU NOIR?
Un trou noir est une région de l’espace d’où rien, ni rayonnement ni matière, ne peut s’échapper. C’est un objet cosmologique et un corps noir parfait: il absorbe toute radiation et n’en émet aucune. Le trou noir n’est issu que des étoiles les plus massives et est, en quelque sorte, l’ultime cadavre stellaire, le plus massif et le plus mystérieux.
Les trous noirs se forment pour la plupart lorsqu’une étoile d’au moins 6 fois la masse solaire éclate en supernova. Lors de l’explosion, l’étoile perd une quantité énorme de masse et se transforme en une étoile à neutron : une boule de matière exclusivement formée de neutrons et donc extrêmement dense.
COMMENT PEUT-ON OBSERVER, OU MEME DETECTER, QUELQUE CHOSE QUI EST INVISIBLE?

À ses débuts, la théorie sur les trous noirs était purement mathématique, elle apparaissait comme une solution élégante aux équations de la relativité générale d’Einstein. Nous n’avions aucun moyen de prouver l’existence de tels objets surtout parce qu’ils sont noirs, donc impossibles à « voir » au télescope. Néanmoins, le modèle se raffina et l’on tenta d’imaginer l’effet qu’une telle masse pourrait avoir sur son entourage immédiat. S’il était extrêmement difficile de regarder directement un trou noir, on allait chercher des phénomènes astronomiques seulement explicables avec la présence de celui-ci! En étudiant plus en profondeur les différents types de trous noirs : Les trous noirs stellaires faisant partie d’un système binaire (deux étoiles en orbite l’une autour de l’autre) et ceux au cœur des galaxies.

Trous noirs stellaires

La grande majorité des trous noirs seraient d’origines stellaires, c’est-à-dire issues de l’effondrement gravitationnel d’une vieille étoile. Lors de la vie courante d’une étoile, appelée la Séquence Principale, celle-ci doit résister à sa propre gravité, qui tend à la comprimer en son centre. Pour ce faire, elle «brûle» de son carburant stellaire, composé principalement d’hydrogène, créant ainsi une force dirigée vers l’extérieur qui résiste à la gravité.
À l’intérieur du cœur règnent des températures de l’ordre de 15 millions de degrés Kelvin; l’intense chaleur est suffisante pour amorcer des réactions de fusion nucléaire, combinant deux atomes d’hydrogène en un seul atome d’hélium.
Cependant, il vient un moment où le carburant nucléaire fait défaut. À ce moment, l’étoile devient une géante rouge; elle consomme l’hydrogène situé dans ses couches extérieures et gonfle de façon démesurée.
Après la phase de géante rouge, l’étoile a trois possibilités, dépendant de sa masse. Le Soleil, qui est peu massif, se transformera en naine blanche; cependant, pour une étoile plus massive, la naine blanche est instable. Au-delà de 1,4 M, où M représente une masse solaire (la masse du Soleil), la naine blanche ne peut exister et l’étoile devient une étoile à neutrons. Or, celle-ci possède également une masse limite, qui se situe aux alentours de 3,2M. Au-delà de 3,2M, c’est la formation d’un trou noir, qui lui ne possède aucune masse limite.
Un trou noir accompagné d’une étoile «normale», i.e. non comprimée et, de préférence, visible de la Terre, formant un système binaire, peut être détecté grâce au mouvement de son partenaire. En effet, dans un système binaire, les deux astres tournent l’un autour de l’autre. De la Terre, l’étoile apparaîtrait tourner autour de rien. Le «rien» en question est appelé un compagnon invisible, et est habituellement une étoile effondrée (naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir).
Cependant, les systèmes binaires ne contiennent pas nécessairement des trous noirs. Pour le déterminer, il faut mesurer la masse du compagnon obscur. Il peut s’agir d’une étoile peu lumineuse, ou d’une étoile gravitationnellement effondrée.
Lorsqu’une étoile s’effondre pour former un trou noir, il n’y a absolument rien qui puisse arrêter son effondrement. C’est le triomphe de la gravitation. Toute la masse de l’étoile est comprimée, en un instant, jusqu’à un point de densité infinie et de volume nul: la singularité. C’est, du moins, ce que prédit la Relativité Générale, la théorie qui a «enfanté» les trous noirs. À ce moment, il se produit un phénomène très intéressant: la lumière émise par l’étoile est piégée, elle ne peut sortir du puits gravitationnel ainsi formé.
Le «seuil critique» d’où la lumière ne peut échapper est l’horizon des événements qui est délimité par les trajectoires des rayons lumineux tout juste retenus par le trou noir, aussi bien qu’il est en quelque sorte la frontière de ce dernier, le « point de non retour » : il est semblable à une membrane qui ne laisse passer la matière que vers l’intérieur et d’où absolument rien ne sort. Un trou noir n’a pas de surface véritable; l’horizon n’est que la limite à partir de laquelle la lumière reste prisonnière du puit gravitationnel. Celui-ci forme une sphère parfaite, ainsi, le temps disparaît, et l’espace devient infini. C’est une singularité.
En bref, les trous noirs doivent être considérés des objets ultra denses dont, par conséquent, la matière recourbe l'espace-temps.

La matière déforme l'espace temps et est la cause de la gravitation

TROUS NOIRS GALACTIQUES
Une théorie veut qu’il y ait des trous noirs gigantesques, de l’ordre de plusieurs millions de masses solaires, à l’intérieur de toutes les galaxies. La présence ou non de matière pour alimenter l’accrétion, le «moteur gravitationnel», expliquerait pourquoi le cœur de certaines galaxies demeure inactif. De tels trous noirs peuvent se former de trois façons différentes. La première fait référence aux trous noirs primordiaux, i.e. des trous noirs formés lors des premiers instants après le Big Bang, introduits par Stephen Hawking. La seconde dépend de la «tendance naturelle» des trous noirs à grossir. La troisième n’est autre que la formation directe d’un «méga-trou noir» par l’effondrement gravitationnel d’un amas d’étoiles, i.e. plusieurs étoiles concentrées dans un petit volume. Ces deux derniers mécanismes requièrent beaucoup de matière: cette condition n’est respectée que dans les galaxies, plus précisément dans le noyau galactique.
Selon le principe vu précédemment où les trous noirs aspirent irrémédiablement toute la matière les approchant, on peut se demander si l'univers ne finira pas par devenir à long terme un trou noir immense. En effet, on observe au centre même des galaxies des trous noirs géants qui auraient du se former à l'époque du Big-Bang.

Deux galaxies et éventuellement, en leurs centres des trous noirs.

Ces trous noirs sont aujourd'hui colossaux, soit parfois une masse un milliard de fois supérieure à celle d'une étoile commune.
Antithèse du trou noir

La relativité générale affirmant une symétrie dans le temps, on doit trouver à l'inverse d'un trou noir un objet aussi mystérieux et spectaculaire. C'est un trou blanc.

Vue artistique d'un trou blanc

Les trous blancs ou fontaines de vie sont l'antithèse des trous noirs. En effet, alors que les trous noirs attirent la matière à tout jamais, les trous blancs en fournissent ce qui fait qu'il est impossible d'y rentrer, tout du moins, autant que de sortir d'un trou noir.
Enfin, La plupart des scientifiques croient également en l’existence de trous noirs gigantesques à l’intérieur des galaxies. Ils seraient les «moteurs» des galaxies à noyau actif. Cependant, l’existence de trous noirs galactiques n’a jamais été prouvée, pas plus d’ailleurs que l’existence des autres trous noirs plus petits.
En fait, c’est la singularité que renferme un trou noir qui suscite beaucoup de débats. Certains scientifiques ont de la difficulté à croire qu’il pourrait exister un point de volume nul et de densité infinie.
Cependant, Stephen Hawking a tenté d’appliquer la mécanique quantique aux trous noirs, notamment ce qui se passe juste après l’horizon. Il est arrivé à l’étonnante conclusion que les trous noirs s’évaporent! Plus leur diamètre est petit, plus ils rayonnent, jusqu’à finalement exploser, éliminant de ce fait la singularité. De plus, ce rayonnement correspond exactement au rayonnement d’un corps noir. Cependant, la probabilité qu’une telle explosion se produise au cours de notre vie est minime.
Ainsi, il y a de l’espoir: déjà la mécanique quantique a réussi à donner aux trous noirs un tout nouvel aspect. Ce n’est donc qu’avec une future théorie de gravitation quantique que les trous noirs pourront vraiment être expliqués, compris et détectés.

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Références :

- HAWKING, Stephen. Une brève histoire du temps : Du BIG Bang aux trous noirs. Paris : Flammarion, 1989
- LUMINET, Jean Pierre. Les trous noirs Paris : Belfond/Sciences, 1992
- HUET, Sylvestre. « Les trous noirs sortent de l’ombre ». Sciences et Avenir, 1994