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    Observer les trous noirs et les comprendre  
    Benoît Rey - Science & Vie, HS 259 - 2012-03-01      
    Peu nombreux dans notre galaxie et n'émettant aucune lumière, les trous noirs étaient voués à rester dans l'obscurité.
Mais grâce à des techniques variées, les astrophysiciens arrivent à en esquisser le portrait.
 
    Les astronomes pouvaient-ils rêver pire objet de recherche ? Pour eux, dont la discipline repose sur l'étude des corps célestes lumineux, c'est le cauchemar ultime : une sphère contenant une quantité phénoménale de matière, mais qui n'émet aucun rayonnement. Un astre colossal, mais infiniment noir, sur le tond noir du cosmos. L'inobservable dans toute sa splendeur. Et pourtant… Pourtant, les télescopes ont peu à peu convaincu les physiciens de l'existence réelle des trous noirs. Pourtant, en traquant tous les indices indirects possibles, les astronomes parviennent à tâtons à jauger ces monstres. La tâche est d'importance. Car non seulement les trous noirs sont soupçonnés d'être les architectes des galaxies, mais ils détiennent peut-être la clé d'une future théorie de la gravitation…  
   

Dans les années 1970, Cygnus X-1 est le premier trou noir à être repéré : l'attention des chercheurs est attirée par l'étoile massive HD226868 (à gauche), qui tourne autour d'une source de rayons X compacte. Il s'agit en fait d'un trou noir qui vampirise littéralement sa compagne en aspirant une partie de sa matière : des gaz très chauds qui émettent des rayons X avant d'être avalés.

 
    Les premiers signes des trous noirs ne sont pas venus du ciel, ils émergent de la pure théorie. Le concept prend naissance dans le fait que la vitesse de la lumière est finie. Pour comprendre, il faut savoir qu'un objet ne peut se soustraire à la gravitation d'un autre que s'il est doté d'une certaine vitesse. Par exemple, pour s'échapper de la Terre, une fusée doit s'élancer à plus de 11,2 kilomètres par seconde (km/s), sa "vitesse de libération". Et on calcule (même si l'idée est absurde) que si cette fusée était posée à la surface du Soleil, elle devrait atteindre une vitesse de quelques centaines de kilomètres par seconde pour s'échapper.  
   

Trahie par son étoile

 
    Mais il existe des étoiles bien plus denses que le Soleil. Une étoile à neutrons, par exemple, condense sur quelques kilomètres la masse de plusieurs soleils. Pour se libérer de son champ gravitationnel, il faut cette fois acquérir une vitesse de 200'000 km/s. La lumière y parvient encore, mais de justesse ! Et rien n'empêche d'imaginer un astre plus dense encore, dont la vitesse de libération dépasserait celle de la lumière, soit 300'000 km/s. Un trou noir, donc, qui n'a de "trou" que cette particularité : une fois happé par sa gravité, aucun objet, aucune particule, fut-elle un photon, ne peut en ressortir…  
    Délirant ? Pas du tout. Car justement, la théorie de l'évolution des étoiles massives montre qu'en fin de vie, après avoir explosé en supernova, certaines peuvent s'effondrer sur elles-mêmes et devenir assez compactes pour retenir la lumière. Notre galaxie abriterait ainsi quelques dizaines ou centaines de millions de ces trous noirs ! Un chiffre assez faible par rapport au nombre probable d'étoiles de la Voie lactée (plusieurs centaines de milliards), et qui laisse peu de chances d'en trouver un à proximité de nous. Et encore moins de chances d'en voir ! Car la théorie est formelle : le rayon (ou "horizon") d'un trou noir vaut, en kilomètres, trois fois sa masse exprimée en masses solaires. Autrement dit, un trou noir qui pèserait dix fois la masse du Soleil aurait un rayon de… seulement 30 km ! Et comme il a toutes les chances (vu sa rareté) de se situer à plus de 1'000 années-lumière de nous, c'est-à-dire à quelques dizaines de millions de milliards de kilomètres, il en résulte que "voir un objet d'une si petite taille à cette distance, c'est comme distinguer une bactérie sur la Lune", s'amusait récemment Alain Riazuelo lors d'une conférence à l'Institut d'astrophysique de Paris où il mène ses recherches. Noir et beaucoup trop petit pour être vu… c'est à désespérer !  
   

Le trou noir supermassif le plus spectaculaire à ce jour a été découvert en décembre 2011 dans la galaxie NGC4889. Il pèse 20 milliards de fois la masse du Soleil !

 
    Heureusement, il arrive que les trous noirs soient trahis par leurs compagnes. En effet, les étoiles évoluent parfois en couple, formant des systèmes binaires, et les trous noirs ne dérogent pas à cette tradition. C'est le cas de Cygnus X-1, le premier trou noir repéré, dès le début des années 1970. On l'observa en effet via une étoile supermassive (HD226868) en orbite autour d'une mystérieuse source de rayons X très compacte. Conclusion : l'étoile gravitait en fait autour d'un trou noir qui aspirait une partie de sa matière. Chauffés à l'extrême avant de sombrer à jamais dans le tourbillon du trou noir, ces gaz émettent des rayons X caractéristiques de leur immense température. Depuis, quelques autres sources de rayons X ont été portées candidates au titre de trous noirs. Mais le signal est décidément trop ténu…  
   

Zoom sur les trous noirs

 
    Un trou noir est un objet céleste si dense que même la lumière se trouve piégée dans son champ gravitationnel. Car on sait (grâce à la relativité générale) que l'espace-temps est déformé par les masses qui le jalonnent. Plus une masse est pesante, plus la trame de l'espace-temps se distord autour d'elle. Avec un matériel expérimental sophistiqué, on peut par exemple montrer que la masse du Soleil suffit à courber légèrement les rayons lumineux des étoiles dans son arrière-plan. Lorsque la masse de premier plan est très importante (par exemple un amas de galaxies), la courbure des rayons est telle que les galaxies lointaines apparaissent étirées. Quand cette masse est assez importante et réduite en un très petit volume, l'espace-temps se troue littéralement, et au-delà d'une certaine limite d'approche, plus rien ne peut plus ressortir de ce puits. La gravitation a alors vaincu la matière et la lumière! Cette limite d'approche s'appelle l'horizon du trou noir.  
   

Trous noirs stellaires

 
    Les physiciens pensent qu'en s'effondrant sur elles-mêmes, les étoiles très massives (de 3 à 40 masses solaires) donnent parfois naissance à des trous noirs. Le phénomène se produirait lors d'explosions d'étoiles en supernova. On en compte probablement des centaines de millions dans la Voie lactée, pesant quelques masses solaires, mais ils sont par nature impossible à distinguer. Seule exception : ceux qui se trouvent liés à une autre étoile, dans un système binaire. Car en subissant les effets de la gravitation de son voisin, l'étoile visible devient très émettrice de rayons X et indique la présence du trou noir stellaire à ses côtés. Une trentaine de tels cas ont été observés.  
   

Trous noirs supermassifs

 
    Eux sont des monstres de quelques millions à quelques milliards de masses solaires concentrées dans un espace pouvant atteindre la taille du système solaire. Ils trônent au centre des galaxies, et se font repérer par l'échauffement extrême de la matière qu'ils s'apprêtent à engloutir. Ils émettent alors tellement d'énergie qu'ils génèrent des phénomènes parmi les plus brillants de l'Univers : les quasars. On a déjà repéré plus de 180'000 quasars que l'on assimile à des trous noirs supermassifs.  
   

Des hypothèses à confirmer

 
    Les physiciens cherchent encore à vérifier qu'il existe des trous noirs de masse intermédiaire, mais aussi des mini-trous noirs, de quelques milliards de tonnes, qui auraient pu apparaître dès le début de l'Univers, ainsi que des micro-trous noirs (de quelques fractions de gramme), provoqués par des collisions entre particules.  
   

 

 
   

Des dimensions gigantesques

 
    Heureusement, les astrophysiciens en apprennent davantage en étudiant un autre type de trou noir : les trous noirs supermassifs, qui trônent au centre des galaxies. Ceux-là jouent dans une autre catégorie : les nombres avec lesquels ils font jongler les spécialistes sont littéralement inimaginables. Relativement près de nous, à 55 millions d'années-lumière, la galaxie elliptique M87 possède un trou noir de 6 milliards de masses solaires. Et l'actuel détenteur du record dans la catégorie poids lourd a été découvert en décembre dernier au milieu de la galaxie NGC4889, dans la Chevelure de Bérénice, à 330 millions d'années-lumière : il pèse 20 milliards de fois la masse du Soleil ! Tout aussi difficile à imaginer, le diamètre de son horizon : 60 milliards de kilomètres, soit dix fois la distance entre le Soleil et Pluton. Gigantesque !  
   

La présence des trous noirs supermassifs est révélée par les quasars, des événements à la puissance lumineuse énorme. C'est à l'observatoire d'Apache Point, au Nouveau-Mexique, qu'est établi le Sloan Digital Sky Survey, le relevé de quasars le plus précis.

 
    Et c'est une bonne nouvelle pour les astronomes. Car grâce à ces masses prodigieuses, les objets les plus sombres de l'Univers sont responsables des événements les plus brillants que l'on connaisse ! ll s'agit des quasars, qui dégagent jusqu'à 1'000 milliards de fois plus de lumière que le Soleil. En effet, ces trous noirs supermassifs dévorent en quantité faramineuse tout le gaz et les étoiles s'approchant un peu trop près. Or, cette gigantesque soupe de matière irrésistiblement attirée se concentre en un disque (appelé disque d'accrétion) qui s'échauffe en tourbillonnant vers le centre du siphon, jusqu'à atteindre des millions de degrés. Comme un phare dans la noirceur du cosmos, la matière ainsi portée à incandescence signale la présence d'un "noyau actif de galaxie". Un phare qui en fait voir de toutes les couleurs aux télescopes : ils émettent principalement dans l'ultraviolet, mais aussi dans l'infrarouge, la lumière visible, les rayons X, les rayons gamma et les ondes radio !  
   

Comme un phare dans la noirceur du cosmos, la matière incandescente signale la présence d'un "noyau actif de galaxie"

 
    En outre, on a l'embarras du choix pour trouver une région du ciel qui en compte un : on estime qu'il y en a plusieurs centaines de milliards dans l'Univers. Et déjà 180'000 quasars sont précisément répertoriés. Certains télescopes sont même spécialement conçus pour balayer largement le ciel à leur recherche. La liste contenant leurs coordonnées et des indications sommaires sur leurs spectres lumineux est rendue disponible aux astronomes, qui peuvent y choisir leur objet d'étude et le soumettre à l'oeil d'un télescope plus puissant. "À l'heure actuelle, le plus célèbre catalogue de relevé de quasars est sans conteste le Sloan Digital Sky Survey", explique Suzy Collin-Zahn, de l'observatoire de Meudon. Dirigé depuis un télescope de l'observatoire d'Apache Point au Nouveau-Mexique, il transmet les coordonnées de plusieurs milliers d'objets chaque nuit. Mais d'autres programmes existent, comme celui de l'observatoire Keck, à Hawaii, qui répertorie ceux dont la luminosité en infrarouge est amplifiée par les effets de lentille gravitationnelle, mais aussi Rosat pour les rayons X, Fermi, un télescope spatial qui révèle les sources de rayons gamma disséminées dans le ciel, correspondant parfois à de la matière éjectée d'un quasar, ou encore celui réalisé en lumière visible par le télescope Canada-France-Hawaii, spécialement orienté vers les objets très lointains.  
    Une fois leur objet choisi, les astrophysiciens exploitent tous les signes indirects qui trahissent son existence. Ils sont même parvenus depuis une vingtaine d'années à peser ces astres invisibles en mesurant la vitesse des étoiles qui gravitent autour de lui. Certes, à 300 millions d'années-lumière de la Terre, impossible de distinguer une à une les étoiles au cœur du disque d'accrétion. Mais, pour contourner cette difficulté, on mesure leur vitesse globale en regardant simplement leur couleur. En effet, la longueur d'onde émise par un groupe d'étoiles s'éloignant de la Terre aura tendance à se décaler vers le rouge, tandis que les étoiles se rapprochant sembleront d'autant plus bleues que leur vitesse sera grande. C'est le principe de l'effet Doppler. Mais, comme le précise Nicholas McConnell, de l'université de Californie, à Berkeley : "Avec de telles approximations, notre marge d'erreur demeure large. Nos calculs donnent 21 milliards de masses solaires comme masse la plus probable pour NGC4889, mais ce chiffre est en réalité compris entre 6 et 37 milliards."  
   

Un portrait-robot du mastodonte se dessine. Masse : 4 millions de fois celle du Soleil. Signe particulier : très peu actif

 
    Autre méthode possible : détecter des variations dans l'intensité des rayons X émis. Elles permettent d'estimer une taille maximale pour le trou noir. Par exemple, si depuis la Terre elles semblent durer une semaine, c'est que le trou noir mesure au maximum une semaine-lumière. On peut aussi utiliser la limite d'Eddington pour évaluer leur masse. Car, comme celle des étoiles, la lumière de leur disque d'accrétion dégage une énergie telle qu'elle exerce une pression sur la matière environnante. Ainsi, au-delà d'une certaine luminosité, le rayonnement est si fort qu'il empêche la matière de s'approcher et d'apporter du "carburant" au trou noir. Autrement dit, l'énergie lumineuse est autorégulée, et ne peut excéder une certaine valeur, la limite d'Eddington, directement liée à la masse.  
   

A moins de 30'000 années-lumière

 
    Mais le trou noir qui se prête le mieux à toutes les études, c'est Sagittarius A*, celui qui se tapit au centre de la Voie lactée. Car il a l'avantage d'être près, tout près de nous : à moins de 30'000 années-lumière. Son point faible, c'est qu'étant niché au coeur de notre propre galaxie, il nous est caché par des millions d'étoiles, ainsi que par une couche de gaz, le tout formant un véritable écran entre lui et nous. Un peu comme si, postés à la lisière d'une forêt, nous essayions de discerner le chêne planté en son centre. Heureusement, les grains de poussière entre la Terre et Sgr A* laissent passer 10% de la lumière infrarouge, qui traverse également notre atmosphère. Et grâce aux télescopes à optique adaptative qui corrigent les perturbations de l'atmosphère, les astronomes ont pu atteindre une résolution telle dans la région du trou noir central, qu'ils ont commencé à distinguer des objets s'approchant dangereusement du monstre! "Nous avons pu mesurer l'orbite d'étoiles très proches, dont l'une particulièrement est passée à seulement 17 heures-lumière de l'objet mystérieux, soit à peine 3 fois plus que l'orbite de Pluton autour du Soleil !", se félicite Daniel Rouan, de l'observatoire de Paris. Aujourd'hui, on connaît précisément les orbites de quelques-unes de ces étoiles, qui ont eu le temps de faire un tour complet du centre galactique depuis la quinzaine d'années qu'on les observe. On peut donc dresser un portrait-robot assez net du mastodonte qui occupe le coeur de la Voie lactée. Masse : environ 4 millions de fois celle du Soleil. Diamètre : 25 millions de kilomètres. Signe particulier : très peu actif. Au final, c'est un trou noir plutôt modeste. Il faut dire que son régime est frugal, car très pauvre en gaz. En revanche, il se gave d'astéroïdes, comme l'indique une étude parue en février dernier.  
   

Sagittarius A*, au coeur de la Voie lactée, apparaît à travers des millions d'étoiles et une épaisse couche de gaz. Mais le trou noir supermassif, dans la constellation du Sagitaire, se prête remarquablement à l'observation car il est situé à moins de 30'000 années-lumière de la Terre.

 
   

Des photographies à partir de 2015

 
    À partir de 2001, le télescope spatial Chandra a détecté des flambées régulières de rayons X en provenance du trou noir, explique Kastytis Zubovas de l'université de Leicester au Royaume-Uni. Elles durent plusieurs heures, pendant lesquelles sa luminosité est multipliée par 100 ! Son modèle postule qu'un nuage de 10 kilomètres rempli de milliers de milliards d'astéroïdes et de comètes, arrachés de leurs systèmes stellaires d'origine, gravite autour du trou noir. En passant à l'équivalent de la distance Terre-Soleil, ceux-ci seraient inexorablement attirés, déchiquetés et vaporisés avant d'être avalés par le monstre. Un scénario spectaculaire ! Et d'autres indices laissent présager de belles observations, dès l'année prochaine.  
   

Un réseau de 9 radiotélescopes répartis sur la planète formera à terme un télescope virtuel aussi grand que la Terre elle-même

 
    Mais un beau jour, c'est directement la photographie de la silhouette de Sgr A* qui devrait faire la une des journaux du monde. Car, si la chose est impossible pour les trous noirs stellaires, elle est en revanche envisageable pour les trous noirs super massifs ! Il "suffirait que les télescopes soient capables de voir non pas une bactérie, mais la taille des pas d'Armstrong et d'Aldrin sur la Lune pour distinguer la silhouette de Sgr A*", reprend Alain Riazuelo, Ce qui impliquerait le recours à un télescope qui mesurerait… plusieurs kilomètres de diamètre ! impossible ? Non, il existe déjà, ou presque, sous la forme d'un réseau de plusieurs télescopes reliés entre eux pour créer un interféromètre géant. Car pointer un même objet avec des instruments éparpillés sur une vaste surface, cela équivaut à l' observer avec un télescope de la taille de cette surface avec, certes, une luminosité très inférieure au télescope. De tels interféromètres existent déjà dans les ondes radio. "Ainsi, le Very Long Baseline Array américain et l'European VLBI Network tournent-ils à plein régime depuis les années 1990. Alma, au Chili vient quant à lui de commencer son service, bien qu'il ne soit pas tout à fait achevé. Et un programme d'interféromètre spécialement dédié à l'observation de Sgr A* vient d'être officiellement lancé en janvier 2012. Appelé Event Horizon, il consistera à terme en un réseau de 9 radiotélescopes situés dans des régions aussi éloignées que le Mexique, Hawaii, l'Europe, les États-Unis et l'Antarctique, pour former un télescope virtuel aussi grand que la Terre elle-même, se félicite Sheperd Doeleman le directeur du programme. Mais surtout, c'est Alma qui, une fois incorporé au réseau en 2015, augmentera la sensibilité de l'interféromètre d'un facteur 10."  
    Les données seront alors centralisées au Massachusetts Institute of Technology, pour la reconstitution de l'image. Dès lors, rien ne devrait empêcher l'image réelle de l'horizon d'un trou noir de se montrer. Sa silhouette, son ombre, détachée sur l'arrière-plan étoilé ! Et elle ne devrait pas ressembler à un simple trou circulaire : "L'image que l'on s'attend à voir est déformée par les effets relativistes dus aux vitesses extrêmes du gaz en rotation, ainsi que par l'effet de lentille gravitationnelle qui courbe les rayons lumineux, à tel point que la matière qui se trouve derrière le trou noir est en partie visible", décrivent Avery Broderick et Abraham Loeb dans une étude parue en 2009. La silhouette sombre de Sgr A* se découpera donc de la lueur du disque d'accrétion, et sera cernée d'un anneau brillant asymétrique, une sorte de croissant. Quant à savoir ce à quoi ressemble le paysage une fois l'horizon du trou noir franchi, aucun télescope ni aucune sonde ne pourront nous l'apprendre. Et même pour un théoricien se contentant de voyager devant son tableau noir, l'improbable aventure est périlleuse !  
   

Un appétit plutôt modéré

 
    Avec l'équivalent d'une Terre avalée chaque année, Sagittarius A* n'est pas vorace. En tout cas, moins que par le passé : pour atteindre sa taille actuelle dans un laps de temps aussi court que l'âge de l'Univers, il doit avoir consommé une moyenne de 150 masses terrestres par an. Alors plus actif, il pourrait même avoir déployé deux jets de part et d'autre du disque de la Voie lactée : le satellite Fermi aurait détecté en 2010 des rayons gamma sous forme de deux bulles de 25'000 années-lumière de diamètre, vestiges possibles de jets ayant jailli il y a plusieurs millions d'années. Plus récemment, un écho lumineux dans les données spectrales de Chandra a fait comprendre qu'il y a un siècle, Sgr A* était 1 million de fois plus brillant qu'aujourd'hui. Ce qui correspondrait à l'engloutissement d'une planète entière à cette époque ! On estime, en revanche, que notre trou noir ne dévore qu'une étoile tous les 10'000 ans. Et pas d'inquiétude en ce qui concerne le Soleil, bien trop éloigné. Les astronomes assisteront toutefois prochainement à un fascinant spectacle : un nuage d'hydrogène trois fois plus massif que la Terre vient d'être repéré plongeant vers le trou noir à 8 millions de km/h. "Il le frôlera à la mi-2013 et se disloquera sous l'effet de la gravité, prévoit Stefan Gillessen, de l'Institut Max-Planck, un des découvreurs. Nous devrions alors observer une émission de rayons X intense, différente des flambées que l'on détecte depuis 2001." Les astronomes pourront ainsi étudier en direct et analyser en détailla manière dont un trou noir se nourrit.  
   

 

 
       
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