Les trous noirs.

Le raisonnement simple à l’origine de la notion de trou noir.

• La matière attire la matière ; expériences ancestrales de la chute des corps et formalisation par Newton.
• La matière est équivalente à une quantité d’énergie ; la théorie de la relativité restreinte formulée par Einstein et sa première épouse avec la tristement célèbre relation : E = m.c2.
• La lumière porte de l’énergie ; l’approche quantique de la nature et en particulier Planck avec sa fameuse formule E = h.ν.
• Les divers types d’énergies sont convertibles entre eux avec un certain rendement ; de nombreux exemples : l’effet Joule, les réactions chimiques et l’adage de Lavoisier « rien ne se perd, rien ne se crée » auquel on prête à Einstein d’avoir ajouté « … tout se transforme ».
• La lumière est ainsi équivalente à une quantité de matière en mouvement ; cette affirmation ressort clairement en observant la relation de dispersion de la lumière dans le vide.
• La lumière qui se propage à proximité d’une concentration de matière va donc être déviée par celle-ci ; affirmation brillamment confirmée par Arthur Eddington au cours de l’observation de l’éclipse du 29 mai 1919 menée à Sundy (sur l’île de Principe ; pays : Sao Tomé-et-Principe).

Si l’amas matériel à proximité duquel la lumière circule est suffisamment attractif, il peut arriver que la lumière ne puisse plus s’échapper d’une orbite limite en deçà de laquelle l’amas va apparaître totalement noir parce qu’il capte toutes les fréquences et n’en laisse échapper aucune.

Le titre de ce paragraphe étonnera les jeunes générations ... mais

1. C’est oublier qu’une prédiction théorique ne devient une quasi-certitude physique qu’après avoir reçue sa confirmation expérimentale. Ainsi, j’ai pu constater ce doute dans un ouvrage universitaire datant de 2013 ayant pourtant consacré un chapitre entier au sujet.
2. C’est également omettre l’hypothèse émise par le très célèbre et très malheureux chercheur anglais Hawking (décédé en 2018) dans un travail réalisé en commun avec Penrose [01]. Selon eux, et puisque les phénomènes physiques résultent tous d’équilibres entre des processus contradictoires, l’existence de réactions réversibles du type « photon = électron plus antiélectron » se déroulant au niveau de l’orbite-frontière théorique d’un trou noir doit s’accompagner de phénomènes d’évaporation [02].  

Ce scénario a deux types de conséquences possibles :

• l’empêchement de la formation d’un trou noir ;
• la dissipation plus ou moins rapide d’un trou noir existant.

Des discussions contradictoires continuent au niveau théorique [03], [04]. Il est intuitivement évident que ces controverses impliquent des débats sur la composition chimique des étoiles, sur la géométrie évolutive des surfaces, notamment celle de la limite de visibilité d’une concentration de matière et sur l’optique dans les espace-temps courbes. Un exposé complet sur le sujet doit évoquer la question des singularités nues (la censure cosmique de Penrose, 1969) et les contradictions apportées en 1991 aux théorèmes de Penrose par Shapiro et S.A. Teukolsky sur la foi de simulations numériques. La compréhension des trous noirs passe par l’élaboration d’une théorie quantique de la gravitation (toujours en cours …).

Sur la base de la théorie de la gravitation formulée par A. Einstein, des ondes gravitationnelles sont détectées en février 2016 (GW 150914).

Cette détection fait bien vite naître l’espoir d’une observation des structures singulières que sont les trous noirs. Les premières images sont effectivement publiées le 10 avril 2019 (trou noir au sein de la galaxie M87).

La NASA (Goddard Media Studios) a fait paraître (2 mai 2022) une série d’images animées offrant une vision panoramique des vingt-deux trous noirs les mieux connus siégeant au sein de notre galaxie ou de sa voisine : le nuage de Magellan.

Les visualisations rendent compte de l’angulation relative par rapport à la Terre de chaque système binaire dont il est avéré qu’il contient un trou noir. La couleur des étoiles va de bleu-blanc à rouge et donne une idée de leur température : de cinq fois à 45% celle de notre Soleil ; nota bene : le teintier utilisé pour rendre compte des températures des trous noirs diffère de celui utilisé pour les étoiles.

Dans la majorité de ces systèmes, un flot de matière s’échappe de l’étoile et va progressivement grossir un disque d’accrétion autour du trou noir associé. Avec un certain nombre d’autres exemples, le système Cygnus X-1 constitue une exception. Le disque d’accrétion le plus large est celui du système GRS 1915 qui s’étend sur une distance égale à celle séparant notre Soleil de Mercure. La taille des trous noirs ne reflète pas la réalité car elle a été choisie pour rendre compte de leur masse relative par rapport à celle de notre Soleil.

Crédit photographique : NASA Goddard Space Flight Center and Scientific Visualization Studio.

© Thierry PERIAT, parution initiale le 4 mai 2022.

[01] S. W. Hawking and R. Penrose, Proc. Roy. Soc. Lond. A 314, 529 (1970) ; http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/314/1519/529.short (texte complet libre d’accès).

[02] wikipédia : évaporation des trous noirs.

[03] Back reaction of Hawking Radiation on a Gravitationally Collapsing Star I: Black Holes? arXiv: 1406.1525v1 [hep-th] 5 June 2014.

[04] Back-reaction of the Hawking radiation flux on a gravitationally collapsing star II: Fireworks instead of firewalls; arXiv: 1409.1837v1 [hep-th] 5 September 2014.