Trou noir

Qu'est-ce qu'un trou noir ?

Toutes les étoiles ne brillent pas, l'univers abrite des étoiles sombres. Les trous noirs sont des objets massifs dont le champ gravitationnel est si intense, qu'il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s'en échapper.
Les trous noirs sont décrits par la théorie de la théorie générale de la relativité. Lorsque le cœur de l'étoile morte est trop massif pour devenir une étoile à neutrons, il se contracte inexorablement jusqu'à former cet objet astronomique mystérieux, qu'est le trou noir.
Les trous noirs stellaires ont une masse de quelques masses solaires à des milliards de masses solaires. Ils naissent à la suite de l’effondrement gravitationnel du résidu des étoiles massives. Lorsque la combustion par les réactions thermonucléaires dans le cœur de l'étoile massive se termine, faute de carburant, une supernova apparait. Cette dernière peut laisser derrière elle un cœur qui continue à s'effondrer rapidement.
Un homme prédisait déjà au 18ème siècle, l'existence d'étoiles sombres, le physicien, astronome et géologue britannique, John Michell (1724 - 1793).

Dans ses notes il écrit que lorsqu'une étoile devient trop massive, elle attire la lumière sous l'influence de sa force gravitationnelle. Cependant comme ses calculs donnent une densité de l'étoile correspondant à 18 milliards de tonnes dans un cm3, il conclut que cela ne peut pas exister.
Aujourd'hui, la théorie des trous noirs, stipule qu'il s'agit d'objets si denses que leur vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière.
La lumière ne peut donc vaincre la force gravitationnelle de surface et reste prisonnière.
La théorie définit également avec précision l'intensité du champ gravitationnel d'un trou noir. Elle est telle qu'aucune particule franchissant son horizon, frontière théorique, ne peut s'en échapper.

Image : Anneau de gaz du trou noir.
V. Beckmann (NASA's GSFC) et al., ESA

A la recherche des trous noirs

Les astronomes ont cherché longtemps comment les quasars, ces objets étranges, pouvaient produire autant d'énergie tout en étant si petit. Les quasars n'existent plus aujourd'hui, ils brillent donc, depuis un lointain passé. Les relativistes avancèrent l'explication de l'effondrement gravitationnel. Mais que se passe-t-il dans les conditions extrêmes d'un effondrement gravitationnel ?
La gravitation va-t-elle comprimer une énorme quantité de matière dans un espace extrêmement réduit ?
En 1939, Einstein pense que c'est possible mais ne croit pas que l'effondrement puisse atteindre ce rayon critique. Oppenheimer et Schneider montrent que cela peut se produire, en s'appuyant sur les règles de la relativité générale. John Archibald Wheeler né en 1911, l'un des plus célèbre physicien du 20ème siècle, va s'opposer aux croyances d'Einstein. Wheeler invente une formule pour décrire ces objets « Objets gravitationnellement effondrés », mais cette appellation est trop longue, il choisit alors le terme de « trou noir ». Les objets qui passent à proximité d'un trou noir, ont de plus en plus de mal à s'en éloigner et la gravitation devient de plus en plus dense, jusqu'à ce que même la lumière ne peut plus s'en échapper.
Au moment où l'effondrement est le plus intense, sa vitesse atteint 99% de la vitesse de la lumière.
Einstein considérait que c'était pousser la relativité générale trop loin, que les trous noirs n'étaient pas de véritables objets physiques.

Il pensait que quelque chose, une force mystérieuse de la nature empêchait les trous noirs de se former. Wheeler explore malgré tout cette voie et soutient les idées d'Oppenheimer.
Mais comment les découvrir, puisqu'ils absorbent tout ce qui passe à côté ?
Cependant, beaucoup de théoriciens sont convaincus que l'effondrement des grosses étoiles ne peut aboutir à la formation d'un trou noir et que cet effondrement ne pouvait que provoquer une réaction thermonucléaire, qui ferait exploser l'étoile.
Il devenait urgent de prouver l'existence des trous noirs. Une étoile noire qui s'attaque à une autre, doit pouvoir s'analyser en observant le spectre de l'étoile visible. Si une étoile tourne autour d'un trou noir, celui-ci devrait aspirer le gaz de l'étoile.
Une nouvelle génération d'astronomes allaient chercher les étoiles autour d'un trou noir, celles qui émettent des rayons X avec explosion de lumière optique et radio.
Ils allaient observer que lorsqu'une étoile tourne autour d'un objet invisible, la lumière se décale du rouge vers la bleu et vis versa. A partir de la vitesse de ce décalage, les physiciens calculent la taille de l'objet. Les preuves s'accumulent et les scientifiques sont de plus en plus convaincus que les trous noirs existent.
Aujourd'hui, de nombreux indices suggèrent que le centre de nombreuses galaxies est occupé par un trou noir.

Image : Un quasar est une des sources d'énergie les plus puissantes de l'univers, un formidable chaudron de gaz incandescent qui dégage plus de lumière que 1 000 galaxies. C'est un trou noir super massif, d'une dimension colossale aussi dense qu'un milliard de soleils, aspirant en permanence des étoiles entières, au rythme de 1 000 masses comme le Soleil par an.

Centre de la voie lactée

La Voie lactée est la région centrale de notre galaxie. Sur l'image infrarouge ci-contre on voit le centre exact de notre galaxie, connue sous le nom de Zone Moléculaire Centrale et en violet, l'arc radio du centre galactique. Un certain nombre de nébuleuses par émission sont visibles grâce aux jeunes étoiles massives qui les éclairent de l'intérieur. Comme presque toutes les galaxies, notre galaxie abrite en son centre, un trou noir. Ce trou noir, de plusieurs millions de masses solaires, se nomme Sgr A. Le centre galactique abrite aussi la région de formation d'étoiles, la plus active de la galaxie. Les observations en Namibie, avec le télescope HESS, ont révélé la présence de rayons gamma très énergétiques en provenance du centre galactique. Ces rayons gamma sont produit par la collision de protons à très hautes énergies avec des protons à plus basses énergies.

Il peut se produire à ce moment là, une réaction de mésons neutres qui en se désintégrant, donnent des photons gamma. Ces mêmes photons, lorsqu'ils entrent en collision avec les atomes de l'atmosphère terrestre, produisent une avalanche de particules de toutes sortes, on parle alors de gerbes de rayons cosmiques.

Image : Sur cette image, on voit le centre exact de notre galaxie, connue sous le nom de Zone Moléculaire Centrale et en violet, l'arc radio du centre galactique. Outre son intérêt scientifique, cette image a remporté le premier prix du concours photographique de l'AUI/NRAO de l'année 2008. Crédit: A. Ginsburg (U. Colorado - Boulder) et al., équipe BGPS, équipe GLIMPSE II.

Gigantesque anneau de trous noirs

Cette étonnante image composite de Arp 147, montre deux galaxies en interaction, situées à environ 430 millions années lumière de la Terre.
Elle est composée d'images roses, prises dans les rayons X, par Chandra X-ray, de l'Observatoire de la NASA, et de données optiques (en rouge, vert, bleu), du télescope spatial Hubble, produites par le Space Telescope Science Institute, ou STScI.
Arp 147 (à droite) contient les restes d'une galaxie spirale, trouée par la collision avec la galaxie elliptique située sur la gauche. Cette rencontre a laissé une vague d'étoiles qui se présente aujourd'hui, comme un anneau bleu, hébergeant de jeunes étoiles massives. Dans quelques millions d'années, ces étoiles exploseront comme des supernovae laissant derrière elles des étoiles à neutrons et des trous noirs. Les neuf sources de rayons X (en rose), dispersées autour de l'anneau bleu, dans Arp 147, sont si lumineuses qu'elles pourraient engendrer des trous noirs, de dix à vingt fois la masse du soleil. Une source de rayons X est également visible dans le noyau de la galaxie rose, du centre de l'image. Cette source pourrait aussi, être alimentée par un trou noir super massif.

D'autres objets, sans rapport avec Arp 147 sont également visibles sur l'image, en particulier, en arrière plan, au-dessus et à gauche de la galaxie rose, on peut voir la source rouge d'un quasars.
Les observations dans l'infrarouge du télescope Spitzer et des observations dans l'ultraviolet de la NASA Galaxy Evolution (GALEX), ont permis d'estimer le taux de formation d'étoiles dans l'anneau. A partir de ces données, combinées à l'utilisation de modèles sur l'évolution des étoiles binaires, les auteurs ont conclu que les étoiles les plus intenses, auront terminé leur formation, dans environ 15 millions d'années.
Ces résultats ont été publiés le 1er Octobre 2010, dans la revue Astrophysical Journal. Les auteurs sont, Saul Rappaport et Alan Levine du Massachusetts Institute of Technology, David Pooley d'Eureka scientifique et Benjamin Steinhorn, également du MIT.

Image : Sur cette image de Arp 147, deux galaxies sont en interaction avec de nombreux futurs trous noirs. Crédit: X-ray: NASA/CXC/MIT/S .Rappaport et al., Optical: NASA/STScI

Les trous noirs existent depuis toujours

Le rayonnement fossile est un rayonnement naturel de micro-ondes à basse température arrivant à la surface de la Terre depuis toutes les directions du cosmos. On l'appelle ainsi parce qu'il forme un arrière-plan à toutes les sources radio ponctuelles qui ont été détectées par les radiotélescopes. Ce rayonnement résiduel du fond du ciel n'a pas été émis à la naissance de l'Univers mais au moment où l'Univers passe d'un état opaque à un état transparent, c’est le flash de lumière primordial qui a généré cette source radio appelée fond diffus cosmologique ou CMB. Une partie des signaux infrarouges et rayons X provenant de cette source est conservée dans le fond cosmique infrarouge ou CIB, et son équivalent dans les rayons X ou CXB. Une étude publiée en juin 2013, faite par une équipe internationale d'astronomes, a comparé les traces sur le même tronçon de fond de ciel dans le domaine des rayons X et dans infrarouge. Utilisant des données de Chandra (X-ray) et de Spitzer (infrarouge), les chercheurs ont conclu que l'une des cinq sources contribuant au signal infrarouge est un trou noir. Il semble que l'activité de ce trou noir était des centaines de fois plus intenses dans l'Univers primordial qu'elle ne l'est aujourd'hui.
« Nos résultats indiquent que les trous noirs sont responsables d'au moins 20 pour cent du fond diffus infrarouge (CIB), ce qui indique une activité intense des trous noirs se nourrissant de gaz à l'époque des premières étoiles », a déclaré Alexander Kashlinsky, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Md.

Même les plus puissants télescopes ne peuvent pas voir les étoiles les plus lointaines et les trous noirs comme des sources individuelles. Mais leur éclat combiné, voyageant depuis des milliards d'années-lumière, permet aux astronomes de commencer à déchiffrer les contributions de la première génération d'étoiles et des premiers trous noirs dans le jeune cosmos. A cette époque, les galaxies naines s'assemblaient, fusionnaient et grandissaient en objets majestueux comme notre propre galaxie, la Voie Lactée. 
En comparant les cartes infrarouge et X-ray l'équipe de chercheurs a analysé les irrégularités des deux milieux. Les fluctuations de manière indépendante ont évolué de concert.
Leur étude détaillée indique que les fluctuations de basses énergies des rayons X sont compatibles avec celles des cartes infrarouges. Sur les cartes CIB et les cartes CXB, la lumière infrarouge et rayons X semble provenir de la même région du ciel. L'équipe en déduit que les trous noirs sont les seules sources plausibles qui peuvent produire deux énergies à de telles intensités. Les galaxies où se forment les étoiles, ne peuvent pas émettre de telles intensités.  

Image : CIB. Lorsque le fond diffus cosmologique est vu en rayons X par le télescope Chandra X-ray, on parle de CXB et lorsqu'il est vu en rayons infrarouges par le télescope spatial Spitzer, on parle de CIB. Image Crédit: NASA