II. Vers d'autres univers

I. Genèse

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, la découverte des trous noirs ne date pas d'hier. En effet alors que l'un d'entre eux n'est détecté pour la toute première fois qu'au début des années soixante dix, le concept de trou noir, lui, existe depuis le dix-huitième siècle. Ainsi en se basant sur l'idée que la lumière a une vitesse finie, Laplace écrit dès 1796 :

« Il existe donc dans les espaces célestes, des corps obscurs aussi considérables, et peut-être en aussi grand nombre, que les étoiles. Un astre lumineux de même densité que la terre, dont le diamètre serait deux cent cinquante fois plus grand que celui du soleil, ne laisserait en vertu de son attraction, parvenir aucun de ses rayons jusqu'à nous; il est donc possible que les plus grands corps lumineux de l'univers soient par cela même invisibles. »

En 1916, alors qu'Einstein publie ses travaux sur la relativité, Schwarzschild en reprend les équations et leur trouve une solution élégante, en considérant une masse gigantesque contenue dans un volume quasi-nul. Le terme de trou noir est inventé par Wheeler en 1967, afin de décrire un astre qui possède une densité telle que même la lumière ne peut échapper à son champ de gravitation.

Cygnus X1

Mais à ce jour aucun trou noir n'a encore été observé, ce ne sont que des curiosités mathématiques, il n'existe aucune preuve de leur existence. Le problème réside dans le fait qu'à cause de leur nature même, les trous s'ils existent ne peuvent être observés directement. Les astronomes cherchent donc les conséquences qu'auraient de tels objets sur leur voisinage. La configuration la plus favorable à leur détection s'avère être un système binaire, c'est-à-dire un trou noir et une étoile en rotation mutuelle l'un autour de l'autre. En effet d'une part une étoile appartenant à un tel système semblera graviter autour de rien, d'autre part le trou noir « aspirant » peu à peu la matière de sa compagne, il se crée un disque d'accrétion : le gaz arraché à l'étoile et s'engouffrant dans le trou noir en accélérant se met à chauffer violemment et à émettre une grande quantité de rayons X et gamma dans un grand halo luminescent.

Etant donné que ce type de rayonnements ne peut traverser l'atmosphère terrestre, seul un satellite est en mesure de détecter un tel objet. Un satellite baptisé Uhuru, est lancé en 1970. Moins d'un an après qu'il ait atteint son orbite, il découvre par hasard une intense source de radiations provenant de la constellation du Cygne. L'étoile HDE 226 868 semble avoir un compagnon invisible qui s'avèrera être le tout premier trou noir jamais observé.

II. Formation

Lors de la mort d'une toile, trois scénarios sont envisageables. Une étoile de dimensions comparables à celles de notre Soleil enfle en se transformant en géante rouge avant de se rétracter en une naine blanche. Une étoile d'une masse supérieure à six fois celle du Soleil devient une supernova. En explosant, elle éjecte environ 90 % de sa masse dans l'espace. La matière qui reste au centre, ne subissant plus aucune force de pression pour contrebalancer la force de gravité s'effondre sur elle-même. Si cette étoile résiduelle a une masse inférieure à trois masses solaires, elle devient une étoile à neutrons. Dans le cas contraire, elle donne naissance à un trou noir de type I.

Il existerait également des trous noirs de type II, d'une masse d'environ un milliard de tonnes et de la taille d'un atome, qui se seraient formés lors du big bang. Certains affirment même que ce serait l'un d'eux qui, en traversant la Terre de part en part aurait causé la catastrophe de Tunguska en 1908. Mais leur existence n'a jamais été démontrée.

En observant la rotation des corps proches du coeur de galaxies voisines à la nôtre, certains astronomes sont parvenus à déterminer la masse à l'intérieur de leur orbite (à l'aide de la troisième loi de Kepler). Ils découvrirent des masses si énormes dans un espace si restreint que la seule explication possible serait l'existence de trous noirs géants appelés trous noirs supermassifs au centre des galaxies. Ceux-ci pouvant avoir des masses de plusieurs millions et même plusieurs milliards de fois celle de notre soleil.

D'une manière générale, il est toujours possible théoriquement de créer un trou noir artificiellement. Il suffit de comprimer une masse M jusqu'aux neuf huitièmes de son rayon de Schwarzschild :

Rs = 2.G.M / c²

Soit par exemple comprimer une masse de 1 Kg dans une sphère de rayon 1,66.10-27 m.

III. Relativité générale

Comme nous l'avons déjà expliqué c'est en appliquant les équations proposées par les théorie d'Einstein à une masse ultra compacte que Karl Schwarzschild « découvrit » les trous noirs. En effet la mécanique classique ne peut expliquer que des particules de masse nulle comme les photons puissent subir une force gravitationnelle :

FA/B = G.MA.MB / r²

Cette force est donc nulle si MA ou MB est nulle.

Il est donc commode pour expliquer ce phénomène de se représenter l'espace en quatre dimensions, où « le temps est en tout point orthogonal à l'espace ». Ce serait en réalité la masse qui confèrerait sa géométrie à l'espace et cette géométrie serait d'autant plus perturbée que cette masse serait compacte.

Dans ces théories la gravité n'est donc plus décrite par la formule ci-dessus, mais par une modification locale de la géométrie de l'espace. Si nous représentons l'espace comme un plan, en deux dimensions donc :

On voit bien ici que la présence d'un astre, une étoile par exemple, fait apparaître une « déformation » dans l'espace temps.

Ainsi là où Galilée et Newton expliquaient la déviation d'un corps passant près de cette masse par une force, Einstein dit qu'en réalité ce corps ne dévie pas, il va bel et bien en ligne droite, mais en suivant la courbure de l'espace, tout comme une balle de golf tournerait en parcourant le bord du trou. Il en est de même pour la lumière, ce qui explique comment celle-ci peut être affectée par la gravité.

Pour un trou noir, qui est un objet très compact, la déformation de l'espace (toujours représenté par deux dimensions) aurait cette allure.

Ici la courbure de l'espace serait tellement forte que tout, y compris la lumière, finirait par y plonger inexorablement.

C'est la raison pour laquelle on représente souvent les trous noirs comme une sorte d'embouchure de trompette, c'est un gouffre dont rien ne peut ressortir passé un certain seuil. Mais cette représentation n'est qu'une analogie. En effet on voit bien ici que dans un espace à deux dimensions, cette courbure de l'espace-temps se fait dans une troisième dimension, ainsi elle en ferait intervenir une quatrième dans un espace en trois dimensions, ce qui est difficile voire impossible à représenter sur un schéma.

IV. Caractéristiques

Tout trou noir peut se différencier d'un autre par seulement trois paramètres physiques : sa masse, le moment cinétique de son spin et sa charge. La charge est rarement non nulle, en effet un trou noir chargé a tendance à attirer des particules de charges opposées ce qui a à terme pour effet de neutraliser sa charge. La masse propre correspond à la masse du noyau qui a donné naissance au trou noir. Pour ce qui est du moment cinétique du spin, il existe deux grandes catégories : les trous noirs non rotatifs, dits de Schwarzschild, et les rotatifs, dits de Kerr. Ces derniers prennent dans la représentation schématique ci-dessus un aspect de vortex, et sont infiniment plus complexes dans leurs mécanismes. Il apparaît pourtant que ce sont les plus fréquents.

V. Infrastructure

Les trous noirs sont composés de couches successives concentriques :

La sphère des photons : elle est nommée ainsi parce que c'est la couche correspondant à l'orbite photonique. Elle est située à 1,5 Rs. Sur cette sphère, l'orbite des photons est néanmoins instable. Après quelques tours, deux choix se présentent à eux : soit ils s'échappent du trou noir, soit ils plongent définitivement vers son centre.

L'horizon des évènements : il se trouve à 1 Rs et est caractérisé par l'ensemble des points où la vitesse de libération égale à celle de la lumière. C'est le point de non retour, toute particule qui traverse ce seuil est perdue à jamais : elle rencontrera inévitablement la singularité.

La singularité : le terme de singularité signifie quelque chose de singulier, d'unique. C'est le point central du trou noir, où toute sa masse est concentrée, mais elle ne mesurerait que 10-35 m. Il s'agirait d'une sorte de « malaxeur chaotique » qui séparerait toutes les particules formant ainsi une sorte de bouillie de matière ultra dense. Cette bouillie serait gouvernée par des lois physiques inconnues à ce jour prenant part dans une nouvelle théorie que l'on nomme « gravité quantique », un alliage entre la mécanique quantique et la théorie de la relativité. La densité y est au moins égale à celle de Planck : 1093 Kg/m3 !

VI. Evaporation

De plus en plus d'astrophysiciens commencent à croire en la nature quantique des trous noirs. Cela présuppose que l'intérieur d'un trou noir n'est pas régi par la théorie de la relativité, mais plutôt par la mécanique quantique. Cette nature quantique permettrait au trou noir d'émettre de la lumière, ce qui est contraire à tout ce qui a été dit jusqu'à présent. Et qui dit lumière dit énergie, ce qui est équivalent à de la matière (e = mc2). Les trous noirs perdraient ainsi de la masse, ils s'évaporeraient. Mais ce phénomène est infime. En effet on suppose que pour un trou noir d'une trentaine de masses solaires, cette perte serait d'environ 10-48 kg par secondes ! On peut donc négliger cet effet pour les trous noirs du type I, mais pour les trous noirs primordiaux (type II) l'effet serait considérable. Ceux-ci pourraient finir, ultimement, par se désintégrer en une explosion spectaculaire.

VII. Vers d'autres univers

Pour la plupart des physiciens, il ne se passe rien d'autre que l'annihilation de la matière par une singularité spatio-temporelle dont nous ne connaissons pratiquement rien. Certains chercheurs ont toutefois émis l'hypothèse que le centre d'un trou noir pourrait être le point de passage vers d'autres univers. Là où l'espace et temps s'annulent dans notre Univers, ils pourraient ressurgir ailleurs. D'autres envisagent la singularité d'un trou noir comme le point de naissance d'un autre univers, gouverné par une autre physique, et qui resterait à jamais isolé du nôtre par l'horizon des évènements. Comment pourrions-nous affirmer que nous ne vivons pas - nous-mêmes - à l'intérieur d'un énorme trou noir, sans interaction physique avec notre Univers ?