Introduction à la théorie des trous noirs/Définition d'un trou noir

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Histoire

Vers 1796 le marquis Pierre Simon de Laplace, astronome, mathématicien et physicien français, passionné par la mécanique céleste et la gravitation considère la possibilité d’obtenir un corps condensé avec une force de gravité assez grande pour que la vitesse d’échappement de ce corps soit égale à celle de la lumière. Il est donc le premier à envisager la possibilité de l’existence de trous noirs. Il écrivait : "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". Ainsi naquit le concept du trou noir, mais la démonstration mathématique de Laplace semblait fantaisiste aux yeux des astronomes de l’époque.

Le concept de trou noir sera ainsi oublié durant plus d'un siècle. Il réapparut au XX^e siècle, lorsqu’Albert Einstein posa les principes de la relativité générale. Mais ce n’est qu’en 1971 que la découverte du premier candidat au titre de trou noir, Cygnus X-1, fut annoncé.

Un trou noir, ce n’est rien d’autre qu’un objet cosmologique, au même titre que notre planète, notre soleil ou notre galaxie. La différence se trouve dans sa densité; elle est des milliards de fois supérieure à tous les corps que nous connaissons. L’attraction gravitationnelle à la surface de ces objets est telle que la vitesse de libération, la vitesse pour s’échapper à l’attraction gravitationnelle, est à peu près égale à la vitesse de la lumière, soit 30 000 fois supérieure à la vitesse de libération de la Terre qui est de 11,2 km/s. Comme son nom le laisse supposer, le trou noir n’est pas visible avec un télescope optique et difficile à détecter avec les équipements actuels.

Un trou noir est donc un résidu d’étoile après la mort de celle-ci. Ce résidu est ce qu’on appelle une étoile à neutrons. Lorsqu’une étoile très massive explose sous forme de supernovae à la fin de sa vie, si la masse de son résidu vaut plus de trois fois la masse du Soleil, la vitesse de libération s’approche alors de la vitesse de la lumière. L’attraction de l’étoile à neutrons est alors si intense que rien, même pas la lumière, ne peut s’en échapper. Le résidu d’étoile est donc devenu un trou noir au lieu d’une simple étoile à neutrons.

Le premier candidat trou noir Cygnus X-1, détecté en 1971, est situé dans la galaxie NGC 4261. La galaxie a été photographiée en lumière visible par le télescope spatial Hubble en 1992. On pense que le centre de cette galaxie serait donc un trou noir. La matière y tourbillonne comme si elle était prise dans un grand typhon : elle s’échauffe lorsqu’elle s’approche d’un centre invisible. Seule la présence d’un trou noir pourrait expliquer ce phénomène.

Le cas du trou noir de la galaxie M 87

Jet du trou noir situé au cœur de la galaxie M 87 (NGC 4486)

La galaxie M87 est une galaxie active située en plein centre de l'amas de la Vierge, à une distance d'environ 60 millions d'années-lumière de nous. Cette image des régions centrales de la galaxie a été prise dans le domaine visible du spectre. L'image couvre 5 000 années-lumière de largeur ; on y aperçoit un jet de matière éjecté par le trou noir central.

Le jet d'électrons et de particules en provenance du trou noir central traverse l'espace à une vitesse se rapprochant de celle de la lumière. Le jet est de couleur bleue, la lumière des milliards d'étoiles et des amas globulaires qui constituent la galaxie est jaune. L'émission de matière à l'origine du jet s'étend sur plusieurs milliers d'années-lumière. Les astronomes pensent qu'un trou noir géant de 3 milliards de masses solaires est à l'origine du jet.