Comment se forment les trous noirs ?

Objets célestes aussi fascinants qu’énigmatiques, les trous noirs n’ont cessé de stimuler l’imagination des scientifiques et des artistes. Alors que la toute première image directe d’un trou noir vient d’être révélée par les chercheurs du projet Event Horizon Telescope, revenons sur l’origine de ces objets.

Première image directe d’un trou noir. Observation faite en 2017 et publiée en 2019.

Premières suppositions

Dès le XVIIIe siècle, des scientifiques se posent la question de l’existence d’objets capturant la lumière. En 1783, le révérend John Michell utilise les connaissances de l’époque sur la vitesse de la lumière et la vitesse de libération et postule l’existence d’un astre suffisamment dense pour empêcher tout objet de s’en échapper. Tout objet y compris la lumière.

Laplace écrira sur le sujet :

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.

Le XIXe siècle verra l’avènement de la description ondulatoire de la lumière ce qui fera tomber dans l’oublier ces réflexions basées sur un rayonnement lumineux corpusculaire.

La relativité générale

En 1915, Einstein révolutionne la vision que se font les physiciens de la gravité. Dans la théorie de Newton, les objets massifs agissent les uns sur les autres instantanément par le biais d’une force. En relativité générale, l’interaction prend en compte un temps de propagation à la vitesse de la lumière. Vitesse qui n’est pas infinie. Aucune force n’est alors nécessaire à expliquer le mouvement : c’est l’espace qui est courbé par les masses et qui, à son tour, va modifier la trajectoire des objets massifs.

Quelques mois plus tard, Karl Schwarzschild trouve une solution de l’équation d’Einstein. Deux problèmes se posent alors :

• le champ gravitationnel devient infini sur le point central
• des quantités infinies apparaissent également sur une sphère de rayon autour du point central

On se rendra compte que le deuxième problème se résout en changeant de système de coordonnées mais correspond quand même à un phénomène physique. Cette sphère de rayon décrit ce que l’on nomme l’horizon des évènements. C’est la surface du trou noir : une fois passé cette limite, aucun objet ne peut s’échapper.

En pratique, la trajectoire circulaire la plus proche se situe à un rayon égal à 3 fois le rayon . Si l’objet se rapproche de l’horizon, un phénomène nommé spaghettification intervient. Le champ gravitationnel évolue si rapidement que le haut et le bas de l’objet subissent des forces d’intensité très différentes. Un effet de marée étire alors fortement l’objet avant de l’entraîner à l’intérieur du trou noir.

À noter que cet effet ne se produit pas forcément avant l’horizon : si l’astre est très massif, le passage de l’horizon peut se faire sans encombre. Des voyageurs interstellaires peuvent ainsi pénétrer l’intérieur d’un trou noir sans s’en rendre compte sur le moment.

Un observateur lointain verra le vaisseau passant l’horizon devenir de moins en moins lumineux, de plus en plus lent et de plus en plus rouge à cause des effets relativistes.

La singularité

Plus gênant pour la théorie, le point central fait apparaître des quantités infinies quel que soit le système de coordonnées utilisé. Deux possibilités s’offrent à nous :

1. accepter l’existence, dans l’espace, de points où la courbure devient infinie
2. chercher à formuler une nouvelle théorie dans laquelle les quantités infinies disparaissent

La gravitation quantique à boucle est un exemple de théorie spéculative permettant de résoudre le problème. L’espace n’y est plus vu comme un cadre lisse et continu mais comme un ensemble de « grains » reliés entre eux en réseau. Cette granularité empêche les quantités physiques de devenir infinies au centre de la géométrie.

La théorie EMD permet, quant à elle, de remplacer la singularité par une étoile de quarks. Les quarks sont des particules constitutives d’une famille qu’on appelle les baryons et qui contient les protons et les neutrons. L’étoile de quarks serait alors une sorte de baryon géant extrêmement dense et chaud mais au sein duquel la courbure de l’espace ne devient pas infinie.

L’existence des trous noirs fait désormais quasiment l’unanimité au sein de la communauté scientifique. Reste à savoir comment sont-ils formés.

Les trous noirs stellaires

Au sein d’une étoile, deux forces contraires entrent en compétition. La gravité attire les constituants de l’étoile vers le centre et la pression radiative due aux réactions nucléaires repoussent ces constituants vers l’extérieur.

Lorsque l’étoile n’a plus de combustible nucléaire pour produire cette pression radiative, l’étoile s’effondre sur elle-même. Trois cas de figure sont alors distingués en comparant la masse finale de l’étoile à la masse du soleil :

1. si  , les couches externes de l’étoile subissent une forte pression et sont éjectées donnant naissance à une nébuleuse tandis que l’effondrement du cœur de l’étoile est stoppé par la répulsion des électrons. Ce qui reste de l’étoile devient une naine blanche : un astre souvent constitué de carbone et d’oxygène avec une masse comparable à celle du Soleil, le tout comprimé dans un volume comparable à celui de la Terre.

   

   Nébuleuse de l’Hélice

2. si  , la pression due aux électrons n’est pas suffisante et l’étoile s’effondre davantage pour devenir une étoile à neutrons. Les couches externes sont éjectées avec violence ce qui donne naissance à une supernova. C’est ici la force nucléaire qui permet d’équilibrer la gravité au sein du cœur.

   

   Supernova de Kepler

3. si  , la pression due aux interactions entre neutrons ne suffit pas non plus à contrecarrer la gravité. Rien n’arrête l’effondrement et la densité devient si grande qu’un trou noir se forme.

Les trous noirs supermassifs

On suppose aujourd’hui que la plupart des galaxies possèdent un gigantesque trou noir en leur centre. En observant le mouvement des étoiles passant à proximité, on peut en déduire la masse de l’astre invisible. Ainsi, on a mesuré pour le trou noir au centre de notre Voie Lactée une masse de 4 millions de masses solaires.

Plus un trou noir est massif et moins il a besoin d’être dense pour se former. Les trous noirs supermassifs peuvent ainsi avoir une densité de l’ordre de celle de l’eau liquide. C’est ce genre de trous noirs qui n’induisent pas d’effets notables lorsque leur horizon est traversé. Les forces de marée y sont en effet négligeables.

Une première explication de l’existence de ces objets gargantuesques consiste à supposer la formation d’un trou noir d’une taille initialement raisonnable qui absorberait de la matière pendant des milliards d’années jusqu’à atteindre une taille démesurée.

Toutefois, on a détecté des trous noirs supermassifs en observant l’univers primordial (plus on observe loin, plus la lumière captée vient d’une époque reculée). Une lente accumulation de matière est donc exclue dans ce cas. On suppose que des mécanismes violents ont permis la naissance de tels astres très rapidement après le Big Bang.

Les trous noirs primordiaux

D’autres formes de trous noirs sont envisagées. Parmi ceux-ci, les trous noirs primordiaux. Il est possible que des trous noirs aient été créés pendant les premiers instants de l’Univers à l’issue de fluctuations de densité importantes. De tailles très variables, ces objets pourraient perdre leur masse par évaporation à cause du rayonnement Hawking.

En étudiant la thermodynamique des trous noirs, on s’est rendu compte qu’on pouvait leur assigner une température et donc un rayonnement. Or rien n’est censé s’échapper de l’horizon des évènements, comment un rayonnement pourrait-il se produire?

Hawking résolut cette apparente contradiction en s’appuyant sur le phénomène de fluctuation quantique : des paires de particules-antiparticules apparaissent et disparaissent en permanence en tout point de l’espace. Si une telle paire est formée à proximité de l’horizon, il se peut que l’antiparticule tombe dans le trou noir et que la particule s’échappe.

Source : Science et Avenir – avril 2018

Du point de vue de l’extérieur, le trou noir émet une particule et de l’énergie. Du point de vue du trou noir, de l’énergie négative est absorbée ce qui équivaut à une perte de masse.

Les trous noirs subissent alors une évaporation d’autant plus rapide qu’ils sont petits. On peut imaginer que des trous noirs primordiaux terminent leur évaporation seulement aujourd’hui ce qui pourrait donner naissance à des phénomènes cataclysmiques comme des sursauts gamma.

Autre hypothèse, l’évaporation se bloque un peu avant la fin formant un résidu stable. Ces résidus pourraient alors constituer des candidats pour la matière noire.

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