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Les trous noirs, ces immenses cimetières d’étoiles si bien cachés

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Ce sont des cimetières d’étoiles, dont rien ne peut s’échapper, pas même la lumière: les trous noirs, monstres cosmiques, sont partout dans l’Univers, mais invisibles. Prédits de longue date par la théorie, la preuve de leur existence fut un long chemin, que le prix Nobel vient couronner. 

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Il a sacré mardi trois pionniers de ce pan énigmatique de l’astrophysique: le Britannique Roger Penrose, qui en a apporté la preuve mathématique; l’Allemand Reinhard Genzel et l’Américaine Andrea Ghez, qui ont trouvé un trou noir supermassif au centre de la Voie lactée.

« Étoile noire »

Dès la fin du XVIIIè siècle, des astronomes supposent l’existence d’étoiles si massives dans un volume suffisamment réduit que la force de la gravité, celle qui nous cloue à la surface de la Terre, empêcherait jusqu’à la lumière de quitter leur surface. 

« On a parlé à un moment d’étoile noire », raconte Guy Perrin, astronome à l’Observatoire de Paris-PSL, qui travaille avec Reinhard Genzel. Même la Terre, explique-t-il, pourrait constituer un trou noir si on la comprimait dans un dé à coudre. 

Il faudra attendre deux siècles, avec la loi de la relativité générale d’Albert Einstein, établie en 1915, pour relancer les recherches sur cet objet invisible. 

La preuve par les maths

Dans les années 1930, des physiciens prédisent qu’une étoile massive (plus grosse que le Soleil) en fin de vie explose en supernova. Puis qu’elle s’effondre sur elle-même, ne pouvant plus supporter son propre poids.

Mais leurs calculs reposent sur l’hypothèse que cette étoile est parfaitement sphérique... ce qui n’existe pas dans la « nature ». Résultat: personne ne croit vraiment en cette théorie, souligne Luc Blanchet, de l’Institut d’astrophysique de Paris.

Dans les années 1960, le théorème du mathématicien Roger Penrose (et de son collègue Stephen Hawking) prouve de manière rigoureuse que la mort d’une « vraie » étoile (non sphérique) peut bien créer un trou noir, conséquence directe de la théorie de la relativité générale, poursuit le physicien, directeur de recherche du CNRS. 

Au centre de ce drôle d’objet existe une singularité, un endroit où la densité de la matière devient infinie. Il est ceinturé par une enveloppe, appelée « horizon des évènements », où la force de gravité est telle que rien ne peut le franchir, ni matière, ni lumière. « Penrose et Hawking ont prouvé que l’état final de la matière, c’est de tomber dans cette singularité », analyse Luc Blanchet.

Comment les voir ?

Cette singularité peut « se penser abstraitement, mais se former une image est très difficile car l’espace et le temps se mélangent », a commenté Andrea Ghez.

La façon de « voir » un trou noir, par définition invisible, est d’observer les objets qui tournent autour, et qui révèlent en creux la présence du géant. C’est ainsi que dans les années 1990, Reinhard Genzel et Andrea Ghez ont établi l’existence d’un objet compact au coeur de la Voie lactée (« Sagittarius A* »), de plusieurs millions de masse solaire, grâce à l’étude des mouvements des étoiles en orbite autour de lui. Leurs observations concluront finalement à la présence d’un trou noir supermassif. 

Et en 2019, tournant historique: des scientifiques révèlent la première image d’un de ces monstres cosmiques, M87*, tapi au centre de la galaxie M87, à 50 millions d’années lumière de la Terre.

Les nouvelles frontières

La détection des ondes gravitationnelles, en 2015, a permis de découvrir de plus en plus de trous noirs, de toutes tailles. Mais de nombreux mystères restent à élucider. 

« On n’a pas encore montré de manière extrêmement directe, de preuve définitive, l’existence de l’+horizon des évènements+ d’un trou noir », explique Guy Perrin, en référence à cette frontière, au-delà de laquelle ni lumière ni matière ne peuvent revenir en arrière. 

Et surtout, « il reste aussi encore à comprendre comment se fabrique un trou noir, parce qu’au centre de la galaxie c’est 4 millions de masse solaire. Mais M87*, lui, a une masse dix fois plus grande », dit l’astronome.

On sait comment naissent les trous noirs stellaires, les plus « petits » (à partir de 3,3 fois la masse de notre Soleil). Mais à l’autre extrême, pour ceux qu’on appelle supermassifs, « il demeure une énigme sur le mécanisme qui préside à leur formation », mentionne-t-il. Peut-être par collision de galaxies abritant en leur coeur un trou noir ?

Et comme si cela ne suffisait pas, on a annoncé en septembre la découverte d’un type de trou noir de taille intermédiaire (entre 100 et 100 000 masses solaires), qui est peut-être le chaînon manquant entre le stellaire et le supermassif.