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Historique des trous noirs

Dossier - Trou noir, dossier introductif
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Résultants, pour la plupart, de l'explosion finale (supernova) d'une étoile très massive, les trous noirs sont parmi les objets astrophysiques les plus captivants. Ce dossier introductif se propose de partir à la découverte du concept de trou noir, et de donner un bref aperçu de leur physique.

  
DossiersTrou noir, dossier introductif
 

« Trou noir » est un terme inventé par le physicien américain John Wheeler  en 1967, pour décrire une concentration de masse/énergie si compacte que même les photons ne peuvent se soustraire à sa force gravitationnelle. Découvrez ici l'histoire du trou noir.

« Trou noir » est un terme inventé par le physicien américainJohn Wheeler en 1967.© ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

L'histoire des trous noirs (auparavant connus sous divers noms dont celui « d'astres occlus ») commença toutefois bien plus tôt puisque l'existence d'étoiles invisibles a pour la première fois été imaginée en 1784 par le révérend anglais John Michell dans le cadre de la théorie newtonienne de la gravitation. Il fallut cependant attendre la théorie d'Einstein de la relativité générale pour que leur existence soit prise un peu plus au sérieux, et ce n'est que très récemment que l'on a pu être certains d'en avoir réellement observé.

Ainsi, quelques mois à peine après la publication de la théorie de la relativité générale par Einstein, Karl Schwarzschild trouva en 1916 une solution exacte des équations d'Einstein qui décrit le champ gravitationnel produit par un corps à symétrie sphérique dans le vide. Il établit également l'existence possible dans cette solution de ce qui sera nommé par la suite le rayon de Schwarzschild (Rs). Ce terme désigne, pour une masse donnée de la source du champ gravitationnel, le rayon minimal que doit avoir cette même source pour que la métrique reste régulière. Si la source a un rayon plus faible que son rayon de Schwarzschild, divers phénomènes physiques étranges semblent se produire lorsqu'une particule arrivant depuis l'infini atteint la sphère de rayon Rs : le temps semble se figer, etc.

Le caractère physique de ces propriétés fut longtemps mis en doute par la plupart des physiciens, certains d'entre eux, Eddington en tête, allant jusqu'à nier l'existence d'objets astrophysiques aussi compacts et donc l'existence d'étoiles de rayon inférieur à leur rayon de Schwarzschild.

La course aux résultats

Il existait toutefois de bonnes raisons d'y croire, et un premier pas vers la démonstration de l'existence de tels objets fut franchit en 1939 par les physiciens américains Oppenheimer et Snyder, qui étudièrent l'effondrement d'une étoile en-deçà de la limite de Schwarzschild. Négligeant la rotation de l'étoile et l'influence de la pression, ils obtinrent des résultats étonnants : dans leur étude, une étoile semblait pouvoir s'effondrer sous la sphère de Schwarzschild en un temps fini, alors que la lumière rayonnée se décalait vers le rouge (sa longueur d'onde augmentait), et que la trajectoire des rayons lumineux était de plus en plus déviée, jusqu'à ce que, une fois atteinte la limite de Schwarzschild, nul photon ne puisse échapper à la force gravitationnelle ; un trou noir avait été formé.

Les approximations utilisées laissèrent cependant perplexes la plupart des physiciens sur la validité du résultat (Oppenheimer le premier), et il faudra attendre les années 1960 et le début de l'observation astronomique à l'aide des rayons X, pour que la théorie des trous noirs soit plus approfondie et que les premières preuves de leur existence soient apportées.