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Détection et existence 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
 

La plupart des observations ayant apporté la preuve désormais quasi-indiscutable de l'existence des trous noirs concernent en fait les trous noirs supermassifs présents au cœur des galaxies.

Le centre de ce trou noir supermassif poussiéreux est entouré par un disque d'accrétion (jaune). © Esa Nasa, Projet AVO et Paolo Padovani

En effet, même si l'on ne sait pas encore comment ils peuvent se former, on a beaucoup de preuves de leur existence, car les phénomènes qu'ils engendrent sont beaucoup plus violents et donc plus facilement observables.

On suppose ainsi qu'un trou noir supermassif est présent dans bon nombre de galaxies, en particulier au centre de la Voie lactée. Les télescopes et radiotélescopes qui ont permis l'observation des noyaux galactiques ont par ailleurs apporté beaucoup d'éléments surprenants.

Les études pour prouver l'existence du trou noir central de notre galaxie

L'un des principaux outils théoriques de ces observations est le décalage des ondes électromagnétiques, dû à l'effet Doppler et au décalage gravitationnel, qui permet de calculer la vitesse des gaz et des objets stellaires proches du noyau d'une galaxie soupçonnée d'abriter un trou noir tout en caractérisant ce dernier. Dans plusieurs cas, dont l'un des plus frappants est la galaxie M84, on observe une trace spectrale en « S », alors que des gaz immobiles auraient donné une trace verticale. Les régions rouges correspondent à un éloignement et les régions bleues à un rapprochement ; et l'on conclut donc à l'existence d'un mouvement de rotation extrêmement rapide autour d'une région de quelques années-lumière.

Les calculs sur les équations de la gravité donnent des résultats exceptionnels : dans le cas de M84, le détecteur STIS (Space Telescop Imaging Spectrograph) du HST (Hubble Space Telescope) mesure des vitesses de l'ordre de 400 km.s-1, dans une région de 26 années-lumières de diamètre. La région centrale, correspondant au milieu du « S », devrait alors contenir une masse d'au moins 3.108 masses solaires.

D'une manière similaire, des calculs ont été faits sur les vitesses des étoiles centrales de notre galaxie, dont certaines ont été mesurées à plus de 1.400 km.s-1 ; les dernières mesures (2000) donnent une masse de 2,7 106 MO dans une sphère de rayon 105RO. Sagittarus A*, le centre de notre galaxie, serait donc un trou noir.

Allan Sandage et la théorie des trous noirs

L'étude des phénomènes astrophysiques violents a aussi apporté beaucoup à la théorie des trous noirs. C'est en 1960 que le physicien Allan Sandage découvre un objet étrange, nommé 3C48, dont le spectre ne correspond à aucun objet connu. Il est de même nature que celui d'une nébuleuse (raies d'émissions), mais les raies ne correspondent pas. En 1963, on comprend la nature du spectre de 3C48 ; les raies sont les mêmes que celles d'une nébuleuse, mais fortement décalées vers le rouge, phénomène dû au décalage vers le rouge cosmologique. 3C48 est en fait une source radio qui, du fait de l'expansion de l'univers, semble s'éloigner de nous à une vitesse de plus de 1/3 c, et émettant un rayonnement 10.000 fois plus intense que notre galaxie, tout en étant pourtant un million de fois plus petite. On a depuis observé de nombreux objets similaires, toujours très lointains, qui furent nommés quasars (Quasi Stellar Radiosources).

Les quasars sont généralement observés dans des galaxies très perturbées, parfois sous l'influence d'autres galaxies très proches. Le meilleur modèle pour expliquer le fonctionnement des quasars est la présence d'un trou noir en rotation au centre du quasar. En effet, 40 % de la masse des gaz du disque d'accrétion pourrait alors être converti en rayonnement (contre 0,7 % pour la fusion de l'Hydrogène). Plus généralement, les différents types de noyaux actifs de galaxies (Galaxies de Seyfert I et II, radiogalaxies) sont considérés comme des quasars vus sous des axes différents. En effet, on observe dans la plupart des cas deux lobes de matière radio-émettrice dus à des jets de particules provenant du noyau de la galaxie (voir document ci contre).

Des images de quasars. © J. Bahcall/M. Disney/Nasa

Les astrophysiciens considèrent maintenant l'existence des trous noirs comme chose sûre à plus de 99 %, de nombreuses preuves considérées comme indiscutables de leur existence provenant de l'étude du centre de la Voie lactée mais aussi de sources gammas et X stellaires.

L'étude de phénomènes

Cependant, certains phénomènes ont été modélisés, qui, s'ils sont un jour observés, apporteraient des preuves supplémentaires très importantes.

Par exemple, il est théoriquement prévu qu'une étoile qui s'approche trop d'un trou noir se voit disloquée par les forces de marée. La libération soudaine des gaz entraîne un fort rayonnement. Cet événement devrait se produire une fois tous les quelque milliers d'années. L'observation de Sagittarus A* révèle la présence de tentacules de gaz perturbées qui pourraient bien être les restes d'une étoile disloquée. Si un tel rayonnement venait à être observé, il ne pourrait qu'être produit par un trou noir.

Un autre phénomène a été étudié, connu sous le nom d'effet de fronde. En effet, si un système binaire double vient à s'approcher d'un trou noir, l'une des étoiles peut être capturée, tandis que l'autre voit son énergie cinétique augmenter aux dépens de celle de sa compagne. Elle pourrait alors atteindre une vitesse de l'ordre de 10.000 km.s-1, vitesse qu'aucune configuration stellaire ne peut produire.

Le dernier phénomène étudié est la fusion de deux trous noirs. Ce phénomène, dont on pense qu'il doit être très fréquent, produit une intense émission d'ondes gravitationnelles, lesquelles devraient être observables sans problèmes par le détecteur d'ondes gravitationnelles à venir, LISA. De telles ondes ne pourraient être attribuées à aucun autre phénomène connu et seraient la preuve définitivement indiscutable même pour ceux qui rechignent encore à admettre l'existence des trous noirs malgré les nombreuses preuves.

L'étude des trous noirs, passionnant nombre de physiciens, a permis de grandes avancées en physique théorique ; des modèles de trous noirs ont été étudiés autant en relativité générale que du point de quantique ou de celui de théories plus vastes et ambitieuses que la relativité générale. Les trous noirs sont ainsi devenus un outil théorique de première importance dans la quête d'une théorie unifiée, certains développements de la théorie des cordes prévoyant par exemple la possibilité de former des mini-trous noirs au LHC, le collisionneur du CERN.

Bibliographie
Pour la science, dossier Hors-série Juillet 1997 Les trous noirs
Ciel & espace, n°365 Octobre 2000 Trous noirs, comment les débusquer ?
Bulletin de l'Union des Physiciens n°593 (Avril 1977) et n°577 (Octobre 1975)
Stefen Hawkins, L'univers des faits aux théories
Sciences & vie n°987 Décembre 1999 Le choc des géants de l'espace
Sciences & vie n°1000 Janvier 2001 On a pesé le cœur de la Galaxie
La NASA et le HST pour les images et les commentaires les accompagnant