Sur les traces des trous noirs invisibles : impact gravitationnel et effets sur les étoiles proches

Qu'est-ce qu'un trou noir ?

Les trous noirs sont des objets astrophysiques dont le champ gravitationnel est si intense qu’aucune lumière ne peut s’en échapper, ce qui les rend invisibles. Ce sont des objets formés par l’effondrement gravitationnel du cœur d’étoiles massives (supernova). Cette réalité, anticipée dès le XVIIIᵉ siècle par John Michell (1724 - 1793), est aujourd’hui décrite rigoureusement par la relativité générale qui définit l’horizon des événements comme la limite infranchissable pour toute particule ou rayonnement.

Observation indirecte par interactions gravitationnelles

Un trou noir peut être détecté par son influence gravitationnelle sur son environnement. En astrophysique, cela se traduit par l’étude du mouvement des étoiles ou du gaz autour d’une région où aucune source lumineuse n’est visible.

• Courbes de vitesse des étoiles : En mesurant les vitesses orbitales d’étoiles proches d’une région compacte, on peut en déduire la masse de l’objet central. Un excès de masse non visible est une indication forte d’un trou noir, comme au centre de la Voie lactée avec Sagittarius A*.
• Lentille gravitationnelle : La déviation des rayons lumineux par le champ gravitationnel intense peut aussi révéler un trou noir isolé via un effet de lentille gravitationnelle.

Rayonnement X des disques d'accrétion

Les trous noirs en phase d'accrétion attirent de la matière environnante qui forme un disque chaud tournant à grande vitesse. La friction interne élève la température du disque à plusieurs millions de kelvins, provoquant l’émission de rayons X détectables par des satellites spécialisés (ex : Chandra, XMM-Newton).

Le spectre et la variabilité du rayonnement X fournissent des informations sur la masse, la vitesse de rotation (spin) et la structure de l’environnement proche du trou noir.

Observation radio et imagerie directe

L’image historique de l’ombre du trou noir supermassif de M87 par l’Event Horizon Telescope (EHT) en 2019 a constitué une avancée majeure. Ce réseau mondial de radiotélescopes fonctionne par interférométrie à très longue base (VLBI), permettant une résolution angulaire suffisante pour “voir” l’ombre du trou noir entourée par le disque d’accrétion.

Détection des ondes gravitationnelles

La coalescence de trous noirs binaires produit des ondes gravitationnelles détectées par les interféromètres au sol (LIGO, Virgo, KAGRA). Ces ondes sont des déformations de l’espace-temps, mesurées grâce à des interféromètres laser ultra-sensibles capables de détecter des variations de longueur de l’ordre de 10^-19 m.

L’analyse des formes d’onde permet d’extraire les masses, spins, et distance des systèmes observés, fournissant un nouveau canal d'observation pour étudier la physique extrême des trous noirs.

Tableau : Synthèse des méthodes d’observation des trous noirs

Sources :
• Misner, C.W., Thorne, K.S., Wheeler, J.A., Gravitation, 1973.
• Abbott B. et al., Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 2016.
• Event Horizon Telescope Collaboration, First M87 Event Horizon Telescope Results, Astrophys. J. Lett. 875, 2019.
• NASA Chandra X-ray Observatory, https://chandra.harvard.edu

Les trous noirs existent depuis toujours ?

Les trous noirs ne sont pas uniquement le résultat de l'évolution stellaire : certains pourraient exister depuis les premières secondes qui ont suivi le Big Bang. On parle alors de trous noirs primordiaux. Contrairement aux trous noirs stellaires, ces objets hypothétiques ne seraient pas issus de l'effondrement d'étoiles, mais des fluctuations de densité extrêmes dans l’univers primordial, amplifiées par l’expansion rapide pendant l’inflation cosmique.

Selon les modèles physiques, certaines régions de l’espace auraient pu localement dépasser une densité critique, provoquant un effondrement gravitationnel immédiat. Si ces trous noirs primordiaux ont réellement existé (ou existent encore) ils pourraient avoir des masses très variées, allant de moins qu’un astéroïde à plusieurs milliers de masses solaires. Leur présence pourrait notamment contribuer à expliquer une fraction de la matière noire, bien qu’aucune détection directe n’ait encore confirmé leur existence.

En ce sens, les trous noirs ne sont pas seulement des objets nés d’étoiles, mais pourraient être des témoins des conditions extrêmes de l’univers primordial. Leur étude permettrait ainsi de tester des théories fondamentales de la physique, telles que l’inflation, la gravitation quantique ou les modèles d’unification.

Références :
• Carr B.J., Hawking S.W., Black holes in the early Universe, MNRAS, 168, 399–416 (1974).
• Carr B.J., Kühnel F., Primordial Black Holes as Dark Matter Candidates, Annual Review of Nuclear and Particle Science, 70, 355–394 (2020).
• Sasaki M. et al., Primordial Black Holes—Perspectives in Gravitational Wave Astronomy, Classical and Quantum Gravity, 35(6), 063001 (2018).
• Zel’dovich Y.B., Novikov I.D., Relativistic Astrophysics Vol. 1, University of Chicago Press (1971).
• Abbott B. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), GWTC-3: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo During the Second Part of the Third Observing Run, Phys. Rev. X 11, 021053 (2021).