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COLLECTION FONDÉE PAR PAUL ANGOULVENT

Yves Gingras, Histoire des sciences, no 3495.

Matthieu Gounelle, Les Météorites, no 3859.

Françoise Combes, Le Big Bang, no 4123.

Grégory Chambon, Histoire des nombres, no 4154.

Jean Audouze, Les 100 mots de l’astronomie, no 4171.

ISBN 978-2-7154-0739-8

ISSN 0768-0066

Dépôt légal – 1re édition : 2016
2e édition mise à jour : 2021, juin

© Presses Universitaires de France / Humensis, 2021

170 bis, boulevard du Montparnasse, 75014 Paris

Ce document numérique a été réalisé par Nord Compo.

Avant-propos

Avez-vous vu le film Interstellar, dans lequel Matthew McConaughey est l’homme de la situation pour débusquer une planète habitable dans l’orbite d’un trou noir géant ? Ou peut-être High Life, où l’approche d’un trou noir s’apparente à un nouveau couloir de la mort ? À moins que, comme les miens, vos enfants ne se délectent des aventures de SamSam dans le trou noir ? C’est évident : les trous noirs sont à la mode. Pourtant, Christopher Nolan, Claire Denis et Tanguy de Kermel ne sont pas les premiers à jouer sur le pouvoir de fascination de ces astres hors du commun. Depuis le milieu du XIXe siècle, la culture occidentale s’imprègne toujours un peu plus de l’image de ces puits sans fond, capables d’engloutir des mondes sans espoir de retour. Jusqu’au langage vulgaire : le Moyen Âge est un « trou noir » entre l’Antiquité et la Renaissance ; les paradis fiscaux sont des « trous noirs » financiers ; une soirée trop arrosée, et vous risquez le « trou noir », etc.

Par-delà cette floraison culturelle et linguistique, les trous noirs – les vrais – sont des astres bien réels, au même titre que les étoiles, les planètes ou les astéroïdes. On peut les observer. Mesurer leur taille. Déterminer leur masse. Estimer leur distance. On peut les compter et prédire leur évolution. L’astronomie des trous noirs est d’ailleurs entrée récemment dans un âge d’or, avec la mise en route d’instruments comme le Event Horizon Telescope (un réseau d’antennes radios distribuées sur plusieurs continents) ou les expériences LIGO et VIRGO (des rayons laser ultra-précis permettant d’« entendre » les trous noirs). Le premier a fourni en 2019 le premier cliché d’un trou noir supermassif : un disque obscur entouré d’une couronne lumineuse et asymétrique, l’image d’un objet pesant quatre millions de fois plus lourd que le Soleil mais mesurant seulement trente fois sa taille. Les deuxièmes ont détecté depuis 2015 une douzaine de collisions entre trous noirs, non pas par la lumière qu’elles auraient émise, mais pas les vibrations de l’espace-temps que de tels cataclysmes engendrent. Les prix Nobel de physique 2017 et 2020 sont revenus sans surprise aux principaux protagonistes de ces extraordinaires aventures expérimentales.

Pour le physicien théoricien, les trous noirs sont un sujet d’étude particulièrement stimulant : très simples à décrire mathématiquement, très difficiles à comprendre intuitivement, ils sont au cœur du grand problème ouvert de la physique – le mariage de la théorie de la relativité générale (l’infiniment grand) et de la mécanique quantique (l’infiniment petit). La fascination des chercheurs pour le sujet est telle qu’elle finit par vampiriser toute la discipline : on parle maintenant de trous noirs en optique, hydrodynamique, physique du solide, physique des particules… Autant de sujets qui n’ont a priori rien à voir avec le ciel et les étoiles. On a écrit autant d’articles universitaires sur les lointains trous noirs que sur les transistors !

Ce texte s’adresse à ceux, initiés ou profanes, qui souhaitent se faire une idée de ce que la science sait vraiment des trous noirs – et de ce qu’elle ne sait pas. Sans prérequis au-delà de la physique du lycée, on tâchera de décrire les phénomènes, mais aussi d’éclairer les concepts. Sans manquer d’évoquer ce qui fait de l’étude des trous noirs une activité profondément humaine, avec ses espoirs et ses errements, ses coups de génie et ses erreurs, ses grands hommes et ses bassesses. L’objectif sera atteint si le lecteur referme ces pages avec le sentiment que l’univers est plus étrange, mais aussi plus compréhensible, qu’il ne l’avait imaginé.

Je remercie Carlo Rovelli, Claude et Maéva Baudoin, Thomas Chevron, Maud Brigot et Marie-Pierre Barre pour leur relecture attentive de mon manuscrit, ainsi que mes éditeurs, Julie Gazier et Julien Brocard, pour leur patience et leurs encouragements au cours de ce projet.

Je remercie enfin Jean-Pierre Luminet de nous avoir autorisé à utiliser son travail – la première simulation réaliste de l’apparence extérieure d’un trou noir, plus de trente ans avant Interstellar et High Life – comme illustration de couverture.

CHAPITRE PREMIER

Prologue

En science, on a toujours tort de ne pas (se) poser de question. En voici quelques-unes sur les trous noirs qui vous ont peut-être traversé l’esprit, suivies de quelques premiers éléments de réponse. Pour aller plus loin, tournez la page…

Les trous noirs existent-ils ?

Oui ! Ils sont même assez communs dans l’univers : il y a environ 100 millions de trous noirs dans notre propre Voie lactée. Dont un énorme, en plein centre de la galaxie : son nom est Sagittarius A*. Nous y reviendrons dès le chapitre II.

Un trou noir est-il un trou ? Et pourquoi est-il noir ?

En effet, un trou noir est une déchirure dans l’espace et le temps, une sorte de puits sans fond cosmique : rien n’en ressort, pas même la lumière – c’est pourquoi il est noir (voir chapitres II et VI). Mais il n’y a pas qu’une seule façon de se représenter un trou noir : on peut aussi le voir comme une « membrane » conductrice, comme on le verra au chapitre IX.

Peut-on voir un trou noir ?

Oui, comme on peut voir l’entrée d’une grotte dans le flanc d’une falaise : par contraste avec un environnement plus clair que lui. On peut aussi voir la matière ordinaire (gaz ou étoiles) lorsqu’elle tombe dans un trou noir, un processus qui peut être très lumineux – et nous permet de voir avec un simple télescope amateur des astres situés aux confins de l’univers, les quasars (voir chapitre VIII). Et si par chance vous disposez d’un instrument capable de mesurer des déplacements de l’ordre du millionième de milliardième de millimètre (mille fois moins que la taille d’un proton), alors vous pourrez aussi entendre les « ondes gravitationnelles », ces vibrations de l’espace-temps qu’émettent les trous noirs quand ils se rencontrent (chapitre X).

Un trou noir peut-il absorber la Terre ?

Non. Même si le Soleil se transformait en trou noir demain, l’orbite de la Terre ne changerait pas d’un pouce. Pour sentir les effets particuliers d’un trou noir, il faut s’approcher tout près de sa surface (qu’on appelle son « horizon des événements » ; chapitre VI) – ce qui n’est pas près de nous arriver.

Les trous noirs peuvent-ils servir à quelque chose ?

Oui, à stocker de l’énergie – c’est précisément le rôle qu’ils jouent dans les quasars. Les trous noirs sont d’ailleurs les meilleures batteries de l’univers : 1 kilogramme de trou noir peut en principe stocker jusqu’à 25 pétajoules d’énergie réutilisable, soit environ la consommation annuelle d’une ville d’un million d’habitants (chapitre VII).

Est-il vrai que les trous noirs ralentissent le temps ?

Oui ! Approchez-vous d’un trou noir et vous ferez un bond dans le futur, comme McFly dans Retour vers le futur (chapitre IV). Mais le voyage inverse est impossible…

Einstein a-t-il découvert les trous noirs ?

Non, il a même écrit des articles pour expliquer que les trous noirs ne peuvent pas exister (chapitre III). Mais une grande part du mérite de la découverte lui revient tout de même, parce que c’est avec ses équations que les trous noirs sont étudiés (chapitre V).

Trou noir, matière noire, énergie noire (ou sombre) : est-ce la même chose ?

Non, ce sont trois choses différentes. Les trous noirs sont des astres, comme les étoiles ou les planètes ; la matière noire est une forme de matière invisible au télescope, et néanmoins omniprésente dans l’univers ; l’énergie noire est le nom qu’on donne au phénomène d’accélération de l’expansion de l’univers. À ne pas confondre, donc, même si certains physiciens ont parfois imaginé que la matière noire pourrait être constituée de petits trous noirs (chapitre II).

Que se passe-t-il à l’intérieur d’un trou noir ?

Personne ne le sait vraiment (chapitre XIII). C’est le grand mystère de la physique théorique !

Peut-on construire un trou noir au laboratoire ? L’accélérateur de particules du CERN va-t-il en créer un ?

On ne peut pas construire un trou noir en laboratoire, ni au CERN ni ailleurs. En revanche, on peut construire des dispositifs qui se comportent par certains aspects comme des trous noirs. C’est d’ailleurs un domaine de recherche actif (chapitre XIV).

CHAPITRE II

Qu’est-ce qu’un trou noir ?

I. – Des astres bien réels

Il y a encore cinquante ans, les trous noirs étaient considérés par les physiciens comme des absurdités théoriques, des monstres surgis des équations que la nature ne saurait tolérer. On sait aujourd’hui qu’ils sont en réalité fort communs : il y aurait entre dix millions et un milliard de trous noirs dans notre propre galaxie, la Voie lactée. Chaque recoin du ciel au-dessus de nos têtes abrite donc, non pas un, mais une multitude de trous noirs.

Le trou noir le plus proche de la Terre – le premier à avoir été identifié comme tel, en 1971 – est situé à 6 000 années-lumière1, dans la constellation du Cygne. Il fait environ 45 km de diamètre, pèse 15 fois plus lourd que le Soleil et dévore continûment une étoile super-géante bleue qui tourne autour de lui en un peu moins de 6 jours. Ce trou noir s’appelle Cygnus X-1 ou Cyg X-1, et c’est l’un des astres les plus étudiés par les astronomes.

Plus loin de nous, à environ 26 000 années-lumière dans la constellation du Sagittaire, on trouve un trou noir un million de fois plus gros que Cyg X-1. Entouré d’une cohorte d’étoiles (et de plus petits trous noirs) en orbite rapide autour de lui, ce monstre connu sous le nom de Sagittarius A*, ou Sgr A*, est l’objet le plus massif de la galaxie. En coordonnant huit radiotélescopes géants répartis sur toute la Terre, les astronomes sont parvenus en 2019 à photographier la surface d’un tel trou noir, son « horizon des événements ».

Il existe ainsi deux grands types de trous noirs : les « petits » comme Cyg X-1, dits « trous noirs stellaires », et les « gros » comme Sgr A*, ou « trous noirs supermassifs ». La différence est de taille : un trou noir stellaire pèse entre 3 et 30 fois la masse du Soleil, alors qu’un trou noir supermassif pèse plusieurs millions, voire plusieurs milliards de fois plus lourd que lui.

II. – Implosion gravitationnelle

Les trous noirs stellaires sont des cadavres d’étoiles massives. Pour comprendre ce que cette phrase signifie, commençons par rappeler qu’une étoile est une masse de gaz chaud, où des réactions de fusion thermonucléaires (des « explosions de bombes H ») spontanées maintiennent une pression élevée, capable de contrecarrer l’attraction gravitationnelle. Lorsque, après plusieurs milliards d’années de ce régime explosif, l’hydrogène – le principal combustible des réactions nucléaires – vient à manquer, la pression finit par céder le pas à une implosion (ou effondrement) gravitationnelle du cœur de l’étoile ; dans le même temps, les couches externes de l’étoile sont éjectées dans le milieu intersidéral, formant une nébuleuse planétaire ou, dans certains cas, une supernova.

Le résultat de l’implosion gravitationnelle dépend de la masse du cœur de l’étoile. Pour les étoiles dont la masse est inférieure à la limite de Chandrasekhar, égale à 1,4 fois la masse du Soleil, l’effondrement est finalement stoppé par les électrons, dont la tendance naturelle est d’éviter à tout prix de se retrouver « au même endroit au même moment » – c’est le fameux principe d’exclusion de Pauli, qui joue un rôle central dans la structure de la matière. L’objet qui résulte de ce nouvel équilibre entre gravité et répulsion électronique est une naine blanche, un corps très dense (environ 1 tonne par centimètre cube) et beaucoup moins lumineux qu’une étoile normale.

Les étoiles dont le cœur pèse entre 1,4 et environ 3 masses solaires, comme Procyon dans la constellation du Petit Chien, connaissent un sort plus extrême encore. Dans ce régime de masse, la force d’attraction gravitationnelle dans l’étoile est si forte qu’elle provoque la fusion des électrons (négativement chargés) et des protons (positivement chargés) en neutrons (électriquement neutres). Ces derniers, qui, comme les électrons sont soumis au principe d’exclusion, engendrent alors à leur tour une forme de répulsion de Pauli, mais à plus courte portée que les électrons. L’effondrement gravitationnel produit un astre dont la densité est encore plus grande que celle d’une naine blanche : une étoile à neutrons. Un caillou prélevé sur une étoile à neutrons serait plus lourd qu’une montagne, et cent milliards de milliards de fois plus dur que le diamant.

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