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    Trou noir

    Les trous noirs. Conférence donnée à l'IAP le 1er décembre 2009, par Jean-Pierre Lasota, astrophysicien à l'Institut d'astrophysique de Paris.

    Définition

    Derrière l’expression «trou noir», forgée en 1968 par John A. Wheeler, se cache le plus grand des casse-tête. Un trou est bel et bien une «ouverture pratiquée de part en part dans une surface.» (note 5). Le noir exprime ce qui semble être privé de lumière. En disant que la lumière «glisse» sur les dépressions de l’espace-temps (toujours à 299 732 km/s dans le vide), l’idée d’Einstein incite à penser que l’espace-temps pourrait se tordre singulièrement sous la pression d’un corps extrêmement massif et dense. Qui sait, jusqu’à être perforé… D’un tel puits, nulle lumière ne ressortirait.

    Transportés par ces conjectures, plusieurs chercheurs se mettent fébrilement à l’ouvrage et noircissent de leurs calculs d’innombrables feuilles. En 1917, Karl Schwarzschild suppute que le champ de gravitation exercé par une masse sphérique dans le vide devient, à une certaine distance, infini. Selon ces équations, le cadre de la relativité générale permet d’envisager que des régions de l’espace-temps soient infiniment courbes, les parallèles s’y rejoignant. Ce seuil accroché à flanc d’abîme est appelé «rayon de Schwarzschild» ou horizon des événements. Par-delà cette ultime orée, rien n’est plus perceptible: autant dire que c’est le noir.

    Ces résultats extravagants gênaient beaucoup Einstein qui en était pourtant l’initiateur. Il publia d’ailleurs un article en 1939 dans l’espoir de prouver l’inexistence dans la réalité physique de ces failles de l’espace-temps. En vain. Au fil des années et des percées, l’idée de trou noir n’a fait que grandir.

    Déclin et chute d’une étoile
    Pour comprendre les trous noirs, il est bon de connaître la succession des étapes qui mènent à leur formation. Une étoile est une énorme boule de plasma dont le cœur est en fusion nucléaire. La pression que génère l’énergie colossale des réactions nucléaires centrales l’empêche de s’effondrer sur elle-même. Par exemple, si notre étoile le Soleil perdure et fait le bonheur de nos journées, c’est parce que ses forces contraires et intérieures s’opposent et se stabilisent. Chaque seconde, il fusionne 632 millions de tonnes d’hydrogène en 628 millions de tonnes d’hélium: la différence de 4 millions de tonnes est transformée en énergie pure, en vertu de la relation masse-énergie d’Einstein, d’où sa lumière éblouissante.

    Le rayonnement d’une étoile implique donc une perte de sa masse. Son destin et les circonstances de sa mort dépendent alors de cette masse. Par convention, la masse des étoiles est évaluée à l’aune de la masse du Soleil, soit 1Mo, ce qui équivaut à 1,99 × 1030 kilogrammes.

    Ainsi, un jour viendra où le jour ne sera plus: dans cinq milliards d’années, le Soleil aura fusionné tout son hydrogène. Par gravité, son enveloppe de gaz commencera à s’affaisser vers le cœur palpitant. Mais cette implosion solaire n’aboutira pas, car les réactions nucléaires reprendront de plus belle par la fusion de l’hélium, cette fois-ci. Le Soleil se dilatera à nouveau et entrera dans sa phase dite de «géante rouge», la fusion de l’hélium générant plus d’énergie que la fusion de l’hydrogène. Sa taille atteindra l’orbite actuelle de Mars. Finalement, la gravitation succombera aux ondes de choc de la nucléosynthèse et les couches supérieures de l’étoile en agonie iront se dissiper dans l’infini. Le centre de la nébuleuse planétaire nouvellement formée sera habité par un caillot résiduel, une naine blanche, sorte de tison de dimension terrestre, très chaud, constitué de matière dégénérée surexcitée. Ainsi mourra le Soleil.

    Ce scénario terminal de la naine blanche, bien qu’étant le plus fréquent dans l’Univers, ne fait pas la règle parmi les populations stellaires. Une minorité d’étoiles, celles qui sont les plus massives, finiront de manière plus dramatique, le trou noir en constituant l’ultime et exceptionnel trépas. En 1925, Wolfgang Pauli formula le principe d’exclusion qui rend compte des états de matière ayant cours dans les naines blanches. La pression de dégénérescence due à l’affolement des électrons assure une certaine cohésion à la naine blanche dans la mesure où elle évite une contraction plus importante. Puis, en 1930, c’est au tour de Subrahmanyan Chandrasekhar de poser sa pierre dans l’érection de cet immense édifice théorique. Il calcula qu’une naine blanche dont la masse serait supérieure à 1,4 Mo serait trop lourde pour que la pression reliée au principe d’exclusion de Pauli empêche son effondrement. On ignore à l’époque vers quel nouveau monstre conduira cette auscultation théorique des limites de la physique.

    Mais deux ans plus tard, James Chadwick découvre le neutron. On réalise alors que l’effondrement d’une naine blanche entraîne ses électrons (-) à briser leurs orbites pour aller se cimenter aux protons (+). De leur étreinte naissent des neutrons, particules en grande partie responsables de la masse d’un atome. Et la sphère indiciblement dense qui en découle est un noyau atomique d’ampleur sidérale, une étoile à neutrons.

    Pour clarifier les idées, le diamètre d’une naine blanche est de l’ordre de 10 000 km et sa masse, de 0,8 Mo en moyenne. Une étoile à neutrons est beaucoup plus petite, soit environ 10 km de diamètre, mais sa masse volumique est cent millions de fois plus élevée, soit 1017 kg/m3. Bien que difficilement observables, ces cadavres d’étoile ont été débusqués dans les confins nébuleux de la Lyre (naine blanche) et du Crabe (étoiles à neutrons).

    Une possibilité physique
    On se rappelle qu’en 1939, Einstein publiait un article dans lequel il reniait le droit à l’existence de sa progéniture chthonienne, les trous noirs. Or, quelques mois plus tard, Robert Oppenheimer, tristement connu pour son engagement dans le projet Manhattan, écrivit avec ses étudiants, George Volkoff et Hartland Snyder, un article fondateur qui exposait les mécanismes de l’effondrement gravitationnel d’une étoile à neutrons.

    En voici l’essentiel. Une étoile à neutrons qui possède une masse supérieure à 3 Mo s’effondre, aucune force connue ne pouvant résister à l’écrasante suprématie gravitationnelle. Son diamètre s’amenuise et, éventuellement, devient inférieur à son rayon de Schwarzschild. La courbure que cet objet imprime alors à l’espace-temps étant infinie, la lumière devrait logiquement avoir une vitesse infinie pour s’en échapper.

    Imaginons la poigne herculéenne de la gravitation comme un mur d’une certaine hauteur et que, pour le franchir, il faille sauter avec une certaine force. Ce saut, c’est la vitesse d’échappement, vitesse permettant de fuir l’attraction d’un astre. Sur Terre, il faudrait sauter à 11,2 km/s pour franchir le mur, sans quoi nous retomberions (note 6). Sur le Soleil, qui est plus massif que la Terre, une impulsion de 618 km/s serait nécessaire. Sur une naine blanche, le saut devrait être de 100 000 km/s. Sur une étoile à neutrons, de 200 000 km/s. Nous approchons de l’inapprochable. Dans le cas d’un trou noir, le mur de gravitation est si élevé qu’il faudrait aller plus rapidement que la plus rapide des vitesses, celle de la lumière, pour le traverser. L’entreprise est inéluctablement vouée à l’échec…

    Observer l’inobservable
    Platon échafauda la première doctrine métaphysique de la philosophie. Il parlait du monde sensible, le nôtre, comme d’une pâle copie du monde des formes intelligibles, ces objets eidétiques qui organisent notre réflexion. Nous abordons la réalité physique par les sens; les formes intelligibles, elles, se laisseraient effleurer par l’exercice de la pensée discursive (dianoia) ou, mieux, intuitive (noèsis). Le cas des trous noirs illustre en quelque sorte la descente platonicienne d’un concept, de l’idéel au réel: si les trous noirs existent mathématiquement, comme l’a inféré Schwarzschild, ils sont également physiquement envisageables, comme l’ont souligné Oppenheimer et consorts. L’ultime ordalie ne consistait plus qu’à frotter la théorie à la pratique… Une épreuve de taille.

    En principe, un trou noir est, par essence, invisible. Toutefois, les effets causés par son intense champ gravitationnel sont, eux, transfuges et peuvent dénoncer sa présence. Mais pour ce faire, il faut scruter le ciel assidûment, à l’affût d’éventuels comportements étranges. Une panoplie de méthodes et de technologies d’observation aiguisent fort heureusement nos sens. En cette besogne, elles sont comme des auxiliaires qui tâtonnent là où nos yeux s’envasent.

    Le premier candidat trou noir fut découvert en 1972, par le satellite Uhuru. Ce dernier témoigna de l’existence d’une source de rayons X dans l’ample constellation estivale du Cygne. Cette source fut conséquemment désignée «Cygnus X-1». Un sursaut d’ondes radio révéla par la suite que ces émissions actiniques, difficiles à localiser, provenaient en fait du voisinage d’une étoile massive bleue, nommément HDE 226868 (note 7), située à 6000 années-lumière de la Terre. La corrélation entre les deux objets fut affermie par deux observations notables: (1) l’analyse du spectre d’émission de l’étoile avéra que tantôt elle s’approchait tantôt elle s’éloignait de nous et (2) la variation cyclique de la luminosité de HDE 226868 aux 5,6 jours indiqua qu’elle en prenait 5,6 jours pour compléter une révolution autour de son minuscule partenaire invisible. Cette variation serait due à l’angle sous lequel se présente l’étoile, angle qui nous permet de voir l’étirement causé par l’effet de marée titanesque que produirait Cygnus X-1 sur sa pauvre compagne.

    Cygnus X-1 et HDE 226868 forment un système binaire, c’est-à-dire un couple d’étoiles, dont l’un des membres est très probablement un trou noir (note 8). La masse minimum de Cygnus X-1 a pu être estimée par la troisième loi des orbites de Kepler. Elle environnerait 10 Mo; celle de HDE 226868, 30 Mo. Rien de ce que nous connaissons, sinon un trou noir, ne pourrait être si petit et attirer si rapidement une étoile aussi massive.

    Cet appariement intrigue: l’étoile morte vampirise l’étoile veuve. Un pont de matière acheminerait les lambeaux de l’une à l’abîme de l’autre, sur près de 3 000 000 de kilomètres! Plus cette matière approche de l’antre béant, plus elle s’échauffe et tourbillonne. On nomme disque d’accrétion le maelström de gaz effervescent qui gravite autour du trou noir. Celui de Cygnus X-1 s’étendrait sur plus de 300 kilomètres de diamètre. Par ailleurs, l’inflexion spatio-temporelle s’accentuant au fur et à mesure que la matière glisse sur son erre, la trajectoire suivie par les viscères de l’étoile devient une spirale de plus en plus serrée, courtisant avec une obstination croissante la funeste lisière de l’horizon des événements. Cette accélération frénétique causerait un état d’excitation moléculaire intense qui disloquerait les constituants gazeux. Ces spallations engendreraient les rayons X observés, témoins de ce carnage. Après trente années de chasse aux trous noirs, les astronomes en ont forlancé plusieurs et de toutes les tailles. Il y en aurait plus d’un milliard dans l’Univers, et certains atteindraient quelques milliards de masses solaires – notamment les trous noirs qui hanteraient les bulbes galactiques. Citons à ce chapitre celui qui, sans doute, fascine le plus: Sagittarius A* (note 9), le trou noir supermassif terré au cœur de notre propre galaxie, la Voie Lactée. À 26 000 années-lumière du système solaire, cet ogre central de 2 600 000 Mo semble bien calme. En raison des poussières interstellaires qui font office d’écran, peu d’informations réussissent à nous parvenir, si ce n’est des bribes dans l’infrarouge et dans le radio. On constate qu’il sème pourtant la pagaille dans son entourage: parmi les 45 étoiles proximales identifiées dans l’infrarouge, 24 sont des poids lourds, et certaines d’entre elles valsent à près de 1600 km/s autour du sombre barycentre. Malgré tout, Sagittarius A* est moins actif que ce qu’en disent les modèles. Bien que la radiosource s’étende sur 120 000 000 de kilomètres (~7 minutes-lumière), le spectre de Sgr A* est très peu bavard dans les longueurs d’onde X et gamma. Mais cette asthénie s’est interrompue subitement dans la nuit du 26-27 octobre 2000: durant trois heures, le satellite Chandra enregistra un sursaut de rayons X qui, à son maximum, fut quarante-cinq fois plus lumineux que la normale. Ce sursaut fut peut-être le dernier cri de lumière d’une étoile engloutie voici 26 000 ans.

    Un cyclope dans le vide
    Dans un passage du poème épique l’Énéide, le Troyen Énée et ses compagnons, encore tout secoués par les hoquets aqueux de Charybde, décident d’aborder les berges d’un chapelet d’îles caverneuses pour se reposer. Là, sortant des bocages, accoure vers eux un homme tout tremblant, le corps lézardé et vêtu de hardes pendantes. Oublié sur cette île depuis l’Odyssée homérique, il leur raconte comment les siens se firent dévorer vivants par l’effroyable Cyclope Polyphème. Ce dernier n’a qu’un seul œil frontal, immense et rond, caché sous les broussailles d’un énorme sourcil. À peine cet échange terminé, Polyphème lui-même apparaît au loin, monstrum horrendum, informe, ingens, cui lumen ademptum (monstre horrible, affreux, énorme, privé de la lumière) (note 10).

    Les trous noirs sont comme des cyclopes dans le vide. Horribles, parce qu’ils déjouent notre aptitude à les comprendre. Affreux, parce que leurs affres sont inexorables. Énormes, parce que leurs estomacs sont sans fond. Enfin, privés de la lumière parce qu’ils nous privent de la leur! Le sourcil du trou noir, c’est l’horizon opaque qui l’ourle, et si Polyphème est anthropophage, le trou noir est, lui, «holophage» puisque tout le nourrit. Ses remparts étant semi-perméables, tout y rentre, rien ne s’en évade.

    Par-delà l’horizon des événements, la théorie s’amenuït. Personne ne sait ce qui advient sous la cape de Schwarzschild, si ce n’est que le temps et l’espace y sont insignifiants. Rappelons-nous que l’effondrement d’une étoile très massive n’est arrêtée par rien: son volume devient épistémologiquement nul, 10-33 centimètre, et sa densité, infinie. Faute d’une théorie unifiée qui expliquerait comment se comporte la physique lorsque la gravitation triomphe de toutes les autres forces de la nature aux échelles subatomiques, on ne peut qu’élucubrer des hypothèses.

    Passerelles donnant sur d’autres univers pour les uns, organes cosmologiques préposés au recyclage de la matière-énergie pour les autres, les trous noirs seraient-ils de simples anomalies spatio-temporelles? Pour les comprendre, les grandes théories du siècle – la Relativité générale et la Mécanique quantique – devront faire l’objet d’une énième synthèse réconciliatrice. Les conditions qui prévalaient à la cosmogénèse, au «big bang», devaient être les mêmes que celles qui règnent dans ces décomplexificateurs que sont les trous noirs. L’un est en effet l’inversion temporelle de l’autre. Sans une Grande Unification des paradigmes dominants, ces fissures du Cosmos resteront à jamais des mystères, véritables aliments des grands récits génésiaques et eschatologiques, et bêtes noires des philosophes de la nature.

    Notes
    5. Le petit Robert.
    6. Lorsqu’un satellite est mis sur orbite, il ne s’agit pas d’un saut mais d’une poussée continue. Il serait théoriquement possible d’aller sur orbite à un kilomètre à l’heure, si tant est que nous ayons les réacteurs et le carburant pour le faire. Par ailleurs, la vitesse de satellisation est d’environ 70 % de la vitesse de libération.
    7. C’est-à-dire le 226 868e objet recensé dans le catalogue Henry Draper Extension.
    8. Stephen Hawking estime cette probabilité à 95% dans: Une Brève histoire du temps, Flammarion, 1989, p. 125.
    9. Depuis 1982, l’astérisque évoque son apparence ponctuelle et met en relief l’unicité de cette radiosource au sein du complexe plus large aussi nommé Sagittarius A.
    10. Virgile. Énéide, livre III, vers 658.

    FÉLIX PHARAND-DESCHÈNES, On a troué le noir

    Enjeux

    Étoiles à neutrons et trous noirs
    Si on pouvait élucider le problème des étoiles à neutrons, on réussirait peut-être enfin à comprendre les trous noirs. Dans un article concis, Annie Champagne réussit à présenter les travaux d'un groupe de chercheurs de l'Université McGill, travaillant sous la direction de Victoria Kaspi (professeure de physique à l'Université McGill et titulaire d'une chaire de recherche du Canada en astrophysique). Après avoir rappelé que l'étoile à neutron est, dans l'univers où la matière est compressée au plus haut degré, il s'agit de trouver de quoi sont faites les étoiles à neutrons. Leur seconde caractéristique, après leur grande densité, est de tourner très rapidement autour d'un axe. De plus, à la différence du soleil, l'étoile à neutrons émet sa lumière à partir d'un point précis (puisqu'elle est en effet rien de plus, la densité de l'île de Montréal pouvant se trouver contenu dans une petite cuillère), ce qui permet de la comparer à un phare. L'article se termine sur une citation de madame Kaspi qui évoque une lutte pour la première place entre la lumière et l'obscurité:
    «À 642 rotations par seconde (vitesse de l'étoile à neutron la plus rapide qui soit connue), sa surface tourne à une vitesse se rapprochant de celle de la lumière, affirme madame Kaspi. Sachant que rien de ce que nous connaissons ne se déplace plus vite que la lumière, trouver une seule étoile qui dépasserait cette barrière représenterait unedécouverte des plus importantes pour la science. C'est pourquoi les chercheurs tentent sans cesse d'en découvrir de plus rapides.» (Annie Champagne, «Les étoiles à neutrons: un mystère qui pèse lourd». Découvrir (ACFAS), vol. 24, no 3, mai-juin 2003)

    Documentation

    Christian Magnan, Les trous noirs, chapitre six de l'ouvrage La nature sans foi ni loi. Les grands thèmes de la physique du XXe siècle, Paris, Belfond/Sciences, 1988

    B. Brügmann, A. M. Ghez et J. Greiner, Black holes, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 98, no 19, 11 septembre 2001, p. 10525-10526: «Recent progress in black hole research is illustrated by three examples. We discuss the observational challenges that were met to show that a supermassive black hole exists at the center of our galaxy. Stellar-size black holes have been studied in x-ray binaries and microquasars. Finally, numerical simulations have become possible for the merger of black hole binaries.» (communication présentée lors de la 6th Annual German-American Frontiers of Science)

    Document sonore: Le trou noir de la Voie lactée. Vous pouvez écouter à l'aide de Windows Media Player le reportage de Dominique Lapointe. Invité: François Lacombe, astronome à l'Observatoire de Paris (émission "Les Années lumière", Radio-Canada, 10 novembre 2002)

    Document vidéo: Les trous noirs et la forme de l'espace. Conférence de Jean-Pierre Luminet (L'Université de tous les savoirs, 5 juillet 2000 - Canal U)
    Date de création : 2012-04-01 | Date de modification : 2013-03-07
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    Un trou noir au centre de notre galaxie (Observatoire de Paris)
    Surfing a Black Hole (European Southern Observatory)
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