Cette conférence passionnante retrace l’histoire, la formation et les méthodes de détection les plus récentes des trous noirs. Alain Riazuelo y explique comment des objets, initialement purement théoriques, sont devenus des piliers de l’astrophysique moderne grâce aux ondes gravitationnelles et à l’imagerie radio.

Ce qu’il faut retenir

  • Une réalité physique confirmée par l’observation : longtemps restés des curiosités mathématiques issues de la relativité générale, les trous noirs sont aujourd’hui observés directement via leur ombre (EHT) ou leurs fusions (ondes gravitationnelles).

  • Deux familles principales et des mystères : on distingue les trous noirs stellaires, nés de l’effondrement d’étoiles massives, et les trous noirs supermassifs, situés au cœur des galaxies, dont l’origine exacte reste encore débattue.

  • Un nouveau sens pour l’astronomie : la détection des ondes gravitationnelles permet désormais d' »entendre » l’Univers, offrant des données inédites sur la masse et la rotation des trous noirs lors de collisions cataclysmiques.

L’origine du concept : de Newton à Laplace

L’idée d’un objet emprisonnant la lumière n’est pas née avec Einstein. Dès la fin du XVIIIe siècle, des savants comme John Michell et Pierre-Simon de Laplace utilisent les lois de Newton pour imaginer des « astres occlus ». Ils se basent sur le concept de vitesse de libération : si un astre est assez massif ou dense pour que cette vitesse dépasse celle de la lumière, alors celle-ci ne peut s’en échapper.

À l’époque, cette idée reste académique car les densités requises semblent impossibles dans la nature. Le Soleil, par exemple, devrait être comprimé jusqu’à un rayon de seulement 3 kilomètres pour devenir un trou noir. Ces calculs précoces posent néanmoins les bases de ce que nous appelons aujourd’hui le rayon de Schwarzschild.

La découverte fortuite des naines blanches, comme Sirius B, change la donne au XXe siècle. Ces astres ont la masse du Soleil dans le volume de la Terre, prouvant que la nature peut créer des objets d’une densité extrême. Plus tard, la compréhension des étoiles à neutrons renforce cette possibilité, montrant des astres où la vitesse de libération atteint déjà les deux tiers de celle de la lumière.

La vie et la mort des étoiles massives

Pour comprendre comment naît un trou noir, il faut observer l’évolution stellaire. Une étoile est un équilibre permanent entre la gravité, qui tend à tout comprimer, et les réactions nucléaires, qui créent une pression vers l’extérieur. Lorsqu’une étoile n’a plus de combustible, la gravité l’emporte définitivement.

Les étoiles de faible masse, comme le Soleil, finissent paisiblement en naines blanches. En revanche, les étoiles dépassant huit fois la masse solaire connaissent un destin bien plus violent. Elles fabriquent des éléments de plus en plus lourds jusqu’au fer, qui est une véritable « cendre » nucléaire ne pouvant plus produire d’énergie.

Le cœur de fer finit par s’effondrer brutalement en une fraction de seconde. Si la masse restante est suffisante, aucune force connue ne peut arrêter l’effondrement, et le cœur devient un trou noir. Ce processus s’accompagne souvent d’une explosion de supernova, bien que certaines étoiles puissent s’effondrer directement (« supernova ratée »), disparaissant simplement du ciel.

La zoologie des trous noirs : stellaires et supermassifs

Les trous noirs stellaires sont les plus nombreux, avec une estimation de plusieurs dizaines de millions rien que dans notre galaxie. Ils ont une masse comprise entre quelques fois et quelques dizaines de fois celle du Soleil. On les détecte principalement lorsqu’ils sont en couple avec une étoile normale qu’ils « vampirisent ».

À l’autre extrémité de l’échelle se trouvent les trous noirs supermassifs. Ils trônent au centre de la quasi-totalité des galaxies et pèsent des millions, voire des milliards de masses solaires. Celui de notre Voie Lactée, Sagittarius A