Une définition simple et compréhensible d’un trou noir

Une définition simple du trou noir? Serait-ce possible? Non, parce que, honnêtement, qui est capable de me donner une définition compréhensible d’un trou noir? C’est la question que je me suis posée pendant de longues années! Elle m’est revenue en tête lorsque Florence m’a transmis la question de son fils! Alors c’est parti pour une exploration des trous noirs!

Quelle est la définition d’un trou noir ?

Comment donner une définition du trou noir alors que même les scientifiques ont du mal à préciser ses caractéristiques ? Je vais quand même tenter de te faire découvrir ces mystérieux objets !

Quand je dis « objet », je ne veux pas dire « livre », « verre » ou même « voiture » ! Non, ici, je parle d’objets astrophysiques ! C’est-à-dire quelque chose que l’on va trouver dans l’espace. Si tu montes dans une fusée et que tu vas explorer l’univers, alors tu vas rencontrer différents types d’ objets : des planètes (comme la Terre), des étoiles (comme le soleil) mais tu pourrais aussi rencontrer des trous noirs.

Mais les trous noirs ont quelque chose de mystérieux puisqu’ils sont invisibles !

Le mystère de la gravitation

Commençons par le début. Te souviens-tu de ce qu’est la gravitation ? Il s’agit d’une force qui fait que deux objets s’attirent mutuellement. Cette force n’a pas assez de pouvoir pour que ta fourchette se retrouve collée à ton assiette lorsque tu es à table. Mais c’est à cause, ou plutôt grâce à elle, que tu restes fixé∙e à la Terre. Tu as beau sauter de toutes tes forces, tu retombes toujours sur la Terre…à cause de la gravitation (aussi appelé gravité sur Terre) !

Plus un objet est lourd et plus la force de gravitation est puissante. C’est pour cela que la fourchette n’attire pas l’assiette, mais que la Terre t’attire inévitablement vers elle ! De plus, plus les deux objets sont proches et plus la gravitation sera importante.

Et bien un trou noir est une sphère présente dans l’espace qui a une très grosse masse et une toute petite taille. Deux caractéristiques qui font que les trous noirs ont une force de gravitation extrêmement importante.

La vitesse de libération

Pour bien comprendre à quel point les trous noirs ont une gravitation importante, je te propose de revenir sur Terre. Imagine que tu lances une balle en l’air. Si tu la lances doucement. Elle va revenir très vite par terre. Si tu la lances très fort, alors elle va mettre un peu plus de temps pour revenir au sol. Maintenant si tu es super fort∙e et que tu la lances aussi fort qu’une fusée (11km/s), ta balle va partir dans l’espace et elle ne retombera pas au sol. Tu auras libérée cette balle de la force de gravitation de la Terre. C’est ce qu’on appelle la vitesse de libération.

Il est donc possible, si un objet a assez de vitesse, de résister à cette force de gravitation. Maintenant, revenons aux trous noirs. Leur force de gravitation est tellement puissante que même la lumière (qui est ce qui se déplace le plus rapidement à notre connaissance) est incapable de se défaire du trou noir. Les photons, qui constituent la lumière, sont attirés inéluctablement dans le trou noir et ne peuvent pas en ressortir. Ni la lumière, ni la matière ne peuvent se libérer de la gravitation d’un trou noir.

Tout cela pose un problème : qu’est-ce qui fait que l’on voit un objet ? Les photons qu’il nous renvoit viennent titiller nos yeux. Or si les photons restent prisonniers du trou noir, alors nos yeux ne reçoivent aucun signal. Il est donc impossible de voir les trous noirs !

Observation d’un trou noir

Comment savons-nous que les trous noirs existent puisqu’on ne peut pas les voir ? En fait, les scientifiques parlent d’observations indirectes. Comme les trous noirs attirent tout ce qu’il y a autour d’eux, ils vont modifier le déplacement des objets qu’il y a autour d’eux. C’est ainsi que les planètes et étoiles des alentours vont avoir une rotation inexplicable ou que de la matière va tourner très vite autour d’un point noir (on appelle cela un disque d’accrétion).

Différents types de trous noirs

On distingue différents types de trous noirs.

Les trous noirs stellaires : ils ont une masse qui est entre 10 et 24 fois celle du soleil (pour info, la masse du soleil est de 2.10³⁰kg soit un 2 suivi de 30 zéros ! Tu ne m’en veux pas si je ne les écris pas tous ?)

Les trous noirs supermassifs : ils ont une masse qui est au minimum 1 million de fois plus importante que celle du soleil…oui, je suis d’accord ! Il est parfois un peu compliqué de s’imaginer ces chiffres tellement ils sont grands ! On trouve souvent ce type de trou noir au centre des galaxiesEnsembles d'étoiles et de matière qui restent ensemble gr... More. Celui qui se trouve au milieu de notre propre galaxie, la Voie Lactée, a été baptisé Sagittarius A*. Il pèse la bagatelle de 4,3 millions de fois notre soleil et a un diamètre qui est égal à la distance Terre-Soleil (soit 149 millions de km).

En plus de ces deux types principaux de trous noirs, il existe aussi des trous noirs intermédiaires (dont la masse est de quelques milliers de fois celle du soleil) et des microtrous noirs, aussi appelés trous noirs primordiaux, dont la masse serait 0,000 000 02 kg. Cependant, ces derniers n’ont jamais été observés et restent donc théoriques

A l’intérieur des trous noirs

Bien qu’il soit impossible d’aller voir à l’intérieur d’un trou noir on sait qu’il y a deux éléments importants dans sa constitution :

La singularité gravitationnelle.

Il s’agit du centre du trou noir. On ne sait pas ce qu’il y a dedans mais on sait que c’est tout petit. Ce qui s’y passe ne peut pas être décrit par la physique que l’on connait à l’heure actuelle. Il faudrait mettre sur pied une nouvelle théorie, que l’on a déjà baptisée théorie de la gravitation quantique (à tes souhaits !) pour comprendre ce qui se passe à l’intérieur de cette singularité.

Tout ce que l’on sait, c’est qu’il s’agit de quelque chose d’une densité incroyable, qui pèse extrêmement lourd par rapport à sa taille. C’est un amas de matière qui s’est accumulé là, elle est comprimée très fortement, bien plus que ce qu’on peut imaginer sur Terre. D’après la Nasa, c’est comme si une étoile 10 fois plus massive que notre soleil tenait dans une boule de la taille de New-York

L’horizon des évènements

C’est la limite qu’il ne faut pas dépasser si tu veux pouvoir revenir de ton voyage spatial. Cette limite n’est pas matérialisée, on ne la voit pas, mais si on la franchit, alors on sera inévitablement attiré par le centre du trou noir sans espoir de retour. Imaginons que tu sois capable de faire une marche de 10km. Tu pars plein d’énergie. Après avoir parcouru 8 km tu songes à faire demi-tour pour rentrer chez toi. Sauf que tu n’as plus beaucoup d’énergie. Tu vas pouvoir faire encore 2 km sur le chemin du retour et puis c’est tout. Tu ne pourras plus rentrer chez toi. Dans cet exemple, l’horizon des évènements se situerait à 5 km.

L’horizon des évènements est la limite à ne pas dépasser pour avoir l’énergie de revenir. Il s’agit d’une sphère centrée sur la singularité et dont le rayon dépend de la masse du trou noir.

Par exemple, si un trou noir a une masse d’un milliard de masses solaires, il aura un diamètre de 6 milliards de kilomètres. Par contre, pour un trou noir stellaire, le diamètre ne sera que de quelques dizaines ou quelques centaines de kilomètres.

Les trous noirs ne sont pas des monstres

Il ne faut pourtant pas croire que les trous noirs sont des aspirateurs géants ! Ils ont une force de gravitation en accord avec leur masse et leur taille. Simplement, ils ont une très grande masse et une très petite taille !

Et, autre précision qui a son importance, un trou noir n’est pas un trou ! La matière attirée par le trou noir ne va pas tomber dans un autre univers parallèle ou je ne sais quelle idée loufoque que voudrait nous faire croire la science fiction ! Non ! Elle va venir se compacter à la matière déjà présente dans la singularité gravitationnelle, augmentant d’autant la masse du trou noir.

Comment se forment les trous noirs ?

Maintenant que tu as une définition grossière d’un trou noir, je te propose de découvrir comment il se forme !

Naissance d’un trou noir

Commençons par les trous noirs stellaires. Pour eux, la cause est entendue : ils sont formés lorsqu’une étoile s’effondre. Souviens-toi qu’une étoile est une énorme boule de feu avec, en son centre, un noyau. Elle brule, elle brule…mais à un moment donné, elle n’a plus assez d’énergie pour bruler.

A ce moment-là, l’étoile va s’effondrer sur elle-même, comme un vulgaire château de cartes ! D’une part les couches externes de l’étoile vont voler en éclat (formant ce que l’on appelle une super nova). D’autre part, toute la matière contenue dans le noyau de l’étoile va se concentrer en un seul point : la singularité, futur centre du trou noir.

Ce n’est pas n’importe quelle étoile qui peut former un trou noir ! Notre bon vieux soleil, par exemple, ne peut pas se transformer en trou noir. Tout simplement parce qu’il n’est pas assez lourd. Pour qu’une étoile donne naissance à un trou noir il faut que sa masse soit plus grande que trois fois la masse du soleil.

Pour ce qui est de la formation des trous noirs supermassifs, les scientifiques sont un peu moins d’accord. On pourrait croire que ces trous noirs sont tout simplement des trous noirs stellaires qui ont grossi au fil du temps, « mangeant » la matière qui était au tour d’eux…sauf que l’on sait qu’il existait déjà des trous noirs super massifs lorsque l’univers était tout jeune. Une autre hypothèse explique que ces trous noirs seraient le résultat de la collision entre deux trous noirs intermédiaires.

Pour ce qui est des trous noirs primordiaux, leur existence étant hypothétique, leur formation l’est encore plus !

Vie et mort des trous noirs

De la matière, des gaz, de la lumière, vont être attirés par la force de gravitation du trou noir. C’est ainsi que la masse du trou noir augmente petit à petit.

Pour fini, les trous noirs meurent. En effet, Stephen Hawking, physicien anglais, a exposé une théorie selon laquelle certaines particules seraient capables de s’extirper d’un trou noir. On les appelle les corps noirs. Ceux-ci auraient une incroyable puissance et, jusqu’à présent, ils n’ont jamais été détectés. Néanmoins, selon cette théorie, acceptée par l’ensemble de la communauté scientifique, les trous noirs finiraient pas s’évaporer dans l’espace via ces jets de particules, appelés rayonnement de Hawking^[1]. Mais bon…le temps qu’il faudrait à certains trous noirs pour s’évaporer est supérieur à l’âge de l’univers lui-même !

Est-ce que c’est dangereux ?

Après avoir lu la définition du trou noir, nous sommes en droit de nous demander s’ils menacent notre petite vie tranquille !

Je te le dis tout de suite : annule ton prochain voyage touristique dans un trou noir, comme le préconise la NASA ! Ton corps serait réduit en charpie aux alentours de l’horizon des évènements. Mais, si tu restes tranquillement sur Terre, il n’y a aucun risque !

Le plus proche trou noir s’appelle Gaia BH1. Il a une masse d’environ 10 fois celle du Soleil et se trouve à quelques 1 600 années lumières (16 000 000 000 000 000 Km). Il s’agit là d’une distance tout à faire respectable avec aucun risque de franchir l’horizon des évènements.

TON 618 est le trou noir le plus massif que l’on connait. Il a une masse de 40 milliards de masses solaires. Autant te dire que sa force gravitationnelle est très très puissante…mais il se trouve à environ 10,4 milliards d’années lumières de nous…De ce côté non plus, nous n’avons rien à craindre !

Pour finir, il y a bien un trou noir supermassif dans notre voisinage. Il s’agit de Sagittarius A*. Il se trouve à environ 27 700 années lumières, une distance qui nous assure la sécurité !

Et du côté des savants fous, ça donne quoi ? Certains affirment pouvoir créer artificiellement un trou noir sur Terre. Mais cela reste de la Science Fiction pour le moment ! Une telle expérience nécessiterait une telle quantité d’énergie que nous ne pouvons pas l’envisager actuellement. Et le jour où nous y parviendrons, les trous noirs seraient tellement petits qu’ils s’évaporeraient aussitôt, faute d’être assez lourd pour attirer de la matière !

Histoire des trous noirs

La définition d’un trou noir n’a pas été écrite en quelques heures! Non! Il nous a fallu plusieurs siècles pour commencer à les comprendre.

Le début des trous noirs

Isaac Newton, au XVIII^ème siècle découvrait la gravitation. Peu de temps après, en 1783, des scientifiques du nom de John Michell et Pierre-Simon de Laplace ont émis l’hypothèse, suite à l’observation d’une comète, qu’un objet pouvait avoir une gravitation tellement forte que même la lumière ne pourrait pas s’en échapper.

Cependant, il faut attendre 1971 pour que le premier trou noir soit détecté. Il s’agissait du trou noir présent dans la constellation du Cygne.

Il est difficile de savoir exactement d’où vient le terme « black hole » mais il apparait pour la première fois dans un article scientifique d’Ann Ewing en 1964^[2]. Au XX^ème siècles, les travaux sur les trous noirs permettent peu à peu de préciser leurs caractéristiques et leur fonctionnement. L’histoire a pour habitude de retenir 3 noms de scientifiques associés aux trous noirs :

• Albert Einstein au début du XX^ème siècle avec sa théorie de la relativité générale.
• Subrahmanyan Chandrasekhar. C’est un nom un peu compliqué à retenir! Mais ses travaux sur la vie et la mort des étoiles lui ont valu le Prix Nobel de Physique en 1983.
• Stephen Hawking, avec la théorie du rayonnement Hawking dans les années 1960

Les trous noirs aujourd’hui

Le 10 avril 2019 la première photo d’un trou noir est publiée grâce au projet Event Horizon Telescope. Il s’agit du trou noir M87*, au cœur de la galaxie M87^[3].

Le 12 mai 2022, c’est la photo du trou noir au cœur de notre galaxie, Sagittarius A* qui est publiée par une équipe de l’Observatoire européen austral.

Entre temps, un nouveau Prix Nobel est venu récompenser des travaux sur les trous noirs en 2020. Il s’agit des résultats obtenus par les chercheurs  Roger Penrose, Reinhard Genzel et Andrea Ghez. R

Un nouveau télescope spatial, appelé James Webb, promet de pouvoir étudier les premiers instants de l’univers, juste après le Big Bang et pourrait apporter, à cette occasion, de nouvelles avancées dans la connaissance des trous noirs.

Nos connaissances sur les trous noirs ont, sans aucun doute, beaucoup augmentées lors de ces dernières décennies. Mais ils restent néanmoins des objets mystérieux que les scientifiques ont bien du mal à expliquer, surtout au-delà de l’horizon des évènements. Que se passe-t-il à l’intérieur de la singularité ? Que devient la matière et la lumière qui ont été englouti par le trou noir ? Autant de secrets qu’il nous reste à percer!

Alors? Ai-je réussi mon pari de te donner une définition compréhensible des trous noirs?

Bibliographie pour la définition du trou noir

[1]         S. W. Hawking, « Black hole explosions? », Nature, vol. 248, n^o 5443, Art. n^o 5443, mars 1974, doi: 10.1038/248030a0.

[2]         « “Black Holes” in Space | Science News », 18 janvier 1964. https://www.sciencenews.org/archive/black-holes-space (consulté le 9 juillet 2023).

[3]         K. Akiyama, « First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole », Astrophys. J. Lett., 2019.