Trous noirs : les fantômes de l’espace en 11 questions

11 photos
Le trou noir, une étoile fantôme ?

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Photo 1/11© © Esa/Image : C. Carreau

Au départ, un trou noir est une étoile. Mais une étoile morte. Elle a implosé sous son propre poids quand elle a consommé tout son carburant : elle s’est effondrée sur elle-même, en concentrant toute sa matière dans un tout petit volume. Toutes les étoiles ne finissent pas leur vie en trou noir : elles doivent avoir au minimum la masse de quelques Soleils. 

==> Découvrez la fantastique histoire des trous noirs dans le numéro de mars (n° 174). Le magazine est disponible dans les kiosques depuis le 27 février.

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Pourquoi les trous noirs sont-ils... noirs ?

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Photo 2/11© © Esa et Stefanie Komossa (Institut Max-Planck d’astrophysique)

Nul télescope ne peut voir directement un trou noir, car celui-ci absorbe la lumière. Pourquoi ? Parce que plus un objet est massif (lourd, pour simplifier), plus il attire ce qui se trouve autour de lui. Si la pomme qui se décroche du pommier tombe au sol (voire sur la tête de Newton, d’après la légende) au lieu de s’envoler dans les airs, c’est qu’elle est attirée vers le centre de la Terre (ce qu’on appelle l’attraction gravitationnelle). 

Or un petit trou noir réduit la masse de plusieurs Soleils sur un diamètre de quelques kilomètres ; et un gros trou peut concentrer plusieurs milliards de masses solaires sur des millions de kilomètres. De là une force d’attraction phénoménale. À ce stade, non seulement la pomme tombe irrémédiablement dans le trou et finit en compote, mais aussi parfois les étoiles alentour. Et même la lumière ! 

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Si un trou noir est invisible, comme le repère-t-on ?

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Photo 3/11© © Esa/ATG medialab

Le trou noir n’avale pas tout ce qui s’en approche : la matière qui est en train de tomber vers lui forme un tourbillon, telle l’eau juste avant de sombrer dans le siphon de la baignoire. Cette matière tourne autour du trou à des vitesses prodigieuses (proches de celles de la lumière), si vite qu’une bonne partie de la matière ne va pas tomber dans le trou mais riper vers l’extérieur. Tout cela dégage des énergies fabuleuses, que les télescopes peuvent détecter.

Détail avec cette vue d’artiste livrée par l’Agence spatiale européenne. 

Tout au milieu : le trou noir (en noir). À gauche, en jaune : une étoile, qui est en train de se faire grignoter par l’attraction gravitationnelle du trou noir. En violet : la matière qui se met à tourner autour du trou noir (le « disque d’accrétion »). En blanc, partant vers le haut et le bas : les jets de particules expulsés à la limite du trou noir et qui peuvent couvrir des milliers d’années-lumière. 

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Un trou noir, ça dévore ou ça crache ?

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Photo 4/11© © Nasa/CXC/Institut de technologie de Tokyo/J.Kataoka et al

Les deux ! On imagine le trou noir comme un ogre céleste. En réalité, il laisse échapper l’essentiel de la matière qui tombe vers lui, jusqu’à l’expulser en dehors de sa galaxie. Sur cette photo, on distingue au milieu un point très lumineux entouré d’un halo bleu : c’est une galaxie, tout comme la Voie lactée.

Or au centre de cette galaxie se trouve un trou noir supermassif (dans lequel on pourrait écraser plusieurs millions de fois notre Soleil). L’activité au bord de ce trou noir dégage tant d’énergie que celle-ci forme des jets, vers la gauche et la droite, qui s’étalent sur des milliers d’années-lumière et finissent par se dissiper en formant des sortes de lobes. 

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Mais où sont les trous noirs ?

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Photo 5/11© © Nasa/JPL-Caltech/université Yale

Absolument partout ! Braquez un télescope ultrapuissant sur une zone du ciel grande comme dix fois la pleine lune. Si vous le dirigez vers la zone surnommée « champ Cosmos », qui couvre environ deux degrés carrés dans la constellation du Sextant, vous obtenez l'image ci-dessus.

Sur cette image, chaque point est un trou noir ! Encore ne montre-t-elle que les trous situés entre 3 et 10 milliards d’années-lumière (1 année-lumière = environ 9,5 billions de kilomètres, soit plus de 63000 fois la distance Terre-Soleil).

Les plus gros trous noirs, dits « supermassifs », logent au centre des galaxies. 

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Y a-t-il un trou noir près de chez moi ?

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Photo 6/11© © Nasa/Esa-G. Brammer

Notre galaxie abrite un trou noir supermassif, nommé Sagittarius A*. Où ça ? Au centre de la Voie lactée, à 28000 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Sagittaire, c’est-à-dire très exactement au milieu sur cette photo.

Constat : le trou noir est loin d’avaler toutes les étoiles… et notre système solaire, en périphérie de la galaxie, n’a rien à en craindre.

Mais ce trou noir n’est pas le seul dans notre voisinage. On estime que 1 étoile sur 1000 finit en trou noir. Or, rien que dans notre galaxie, on compterait plus de 200 milliards d’étoiles (400 milliards, selon les estimations hautes). La Voie lactée pourrait donc contenir des dizaines de millions de trous noirs dits « stellaires » (des petits trous noirs de quelques masses solaires).

Rassurez-vous, le trou noir le plus proche de la Terre (en tout cas le plus proche que nous connaissons) se situe à environ 1600 années-lumière de votre domicile. 

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Combien y a-t-il de trous noirs dans tout l'univers ?

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Photo 7/11© © X-ray: NASA/CXC/U.Hawaii/E.Treister et al; Optical: NASA/STScI/S.Beckwith et al.

Impossible à dire. La Voie lactée n’est qu’une des galaxies parmi des dizaines et des dizaines de milliards d’autres (peut-être plus de 150 milliards) dans l’Univers. Chaque galaxie abrite des étoiles par milliards. Et certaines de ces étoiles, en s’effondrant, finissent en trou noir. Résultat, selon le site officiel de Hubble, il naîtrait un petit trou noir stellaire quelque part dans l’Univers… à chaque seconde ! Même les trous noirs supermassifs (jusqu’à plusieurs milliards de masses solaires) sont très nombreux. 

À gauche, l’image en rayons-X ; à droite, la partie agrandie conjugue rayons-X et image optique. La plupart des sources lumineuses figurant à droite abritent un trou noir. Ce cliché ne couvre pourtant qu’un dixième de degré carré du ciel, une zone appelée le « champ profond de Chandra Sud », dans la constellation du Fourneau.

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Puis-je découvrir moi-même un trou noir ?

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Photo 8/11© © Captures du site Radio Galaxy Zoo

Oui, mais pas avec un télescope amateur. Des milliers de trous noirs sont en revanche à découvrir sur… l’Internet. Radio Galaxy Zoo (radio.galaxyzoo.org), un projet de science collaborative lancé par l’université du Minnesota, aide les astronomes à repérer des trous noirs. Et pas n’importe lesquels : des trous noirs supermassifs. Tout le monde peut participer. Le principe est simple : vous comparez des images prises par des télescopes dans les spectres radio et infrarouge. Si une galaxie apparaît dans l’infrarouge entre deux gros jets radio, bingo ! Vous venez sans doute de trouver un trou noir supermassif niché au cœur d’une galaxie. On a testé, c’est très simple… à condition de comprendre un minimum d'anglais pour le guide d'utilisation.

À gauche : les deux lobes d’une source d’émission radio. À droite : la même zone, photographiée dans l’infrarouge, permet de repérer un gros point blanc juste entre les deux lobes. C’est la galaxie qui recèle un trou noir supermassif.

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Stephen Hawking vient-il vraiment de contester l'existence des trous noirs ?

Stephen Hawking vient-il vraiment de contester l'existence des trous noirs ?Arxic

Photo 9/11© © Nasa

Fin janvier 2014, le célèbre astrophysicien Stephen Hawking, professeur à Cambridge, a publié un article sur le site scientifique en ligne Arxic. Avec cette affirmation choc : « L’absence d’horizon des événements signifie qu’il n’existe pas de trous noirs — dans le sens de condition d’où la lumière ne pourrait en réchapper » (« The absence of event horizons mean that there are no black holes - in the sense of regimes from which light can’t escape to infinity. »).

Certains ont oublié la seconde partie de la phrase. Hawking n’affirme aucunement que les trous noirs n’existent pas. Mais il réfute l’idée que, au-delà d’une frontière absolue entre le trou noir et le reste de l’espace, nulle lumière ni information —y compris quantique— ne puisse s’échapper. Bref, dans certains schémas, le trou noir ne serait pas absolument noir, mais d’une nuance de gris… très foncée.

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Que vois-je si je m'approche d'un trou noir ?

Que vois-je si je m'approche d'un trou noir ?“anneau d’Einstein”

Photo 10/11© © Alazin Riazuelo

Pas de chance ! Capturé par l’attraction d’un trou noir, vous commencez à orbiter autour. Et ce que vous observez semble défier le bon sens. Par exemple, vous pouvez contempler tout le ciel, y compris la partie située… derrière le trou noir !

Pourquoi ? À cause de l’attraction gravitationnelle du trou, qui dévie la lumière. Pensez à une roue de voiture qui passe dans une flaque de boue. Au lieu de renvoyer la boue à l’horizontale derrière la voiture, la roue la projette en l’air. Remplacez la boue par des photons, et vous comprenez comment ceux qui se trouvaient derrière le trou noir (la roue) se trouvent maintenant devant vos yeux.

Les diverses distorsions visuelles créent aussi une multitude d’images complètes et tournoyantes de l’espace. Ci-dessus, la vue obtenue après un "arrêt sur image".

L’étoile extrêmement lumineuse, à droite du trou, se retrouve aussi à gauche, et même ailleurs à différentes échelles.…

Plusieurs des images du ciel vont aussi se concentrer juste à l’extérieur du trou. Ce mirage est appelé “anneau d’Einstein”

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Comment voir l'arrière de ma tête grâce à un trou noir ?

Comment voir l'arrière de ma tête grâce à un trou noir ?http://youtu.be/Jb_RrZ...

Photo 11/11© © Nasa/JPL-Caltech

Aïe ! votre orbite s’approche de plus en plus du trou noir. Avant d’y sombrer, profitez du moment où vous atteignez la zone appelée “sphère de photons”. Pourquoi “sphère” ? Parce que les photons se mettent ici à effectuer des cercles autour du trou, toujours sous l’effet de son attraction gravitationnelle. Résultat : les photons qui partent de l’arrière de votre tête peuvent faire le tour du trou noir et revenir devant vos yeux, vous offrant ainsi l’image de l’arrière de votre crâne ! Mais, en dessous de vous, tout est noir, puisque le trou n’émet pas de lumière. Et au-dessus : tout le reste de l’espace, dont les images continuent de tournoyer.

Résultat animé : http://youtu.be/Jb_RrZhNf2Q

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