Les trous noirs: quand la réalité dépasse la fiction

Les trous noirs sont sans doute les objets les plus mystérieux de tout l’Univers. Ces objets célestes ont motivé les grandes lignes de la pensée scientifique. En plus, ils ont confondu notre intuition de manière inimaginable. Les trous noirs doivent leur existence à une histoire très riche en activité intellectuelle. Ils représentent, peut-être, le seul concept en astrophysique à avoir fait l’objet d’un tel effort théorique aussi considérable avant qu’aucune preuve expérimentale n’ait indiqué leur existence. 

Notre image commune des trous noirs, aujourd’hui, est celle des prisons cosmiques sombres qui possèdent un champ gravitationnel si intense qu’elles « dévorent » tout ce qui passe à proximité, matière et rayonnement1,2. En effet, on a souvent tendance à penser à cette notion comme une manifestion de la physique du 20ème siècle. Cependant, l’idée même d’un trou noir n’est nullement nouvelle2. Le concept avait déjà refait surface à plusieurs reprises, à la fin des années 1770 et au début des années 1800, avant d’être relégué au passé, puis ressuscité quelques siècles plus tard.

Premiers promoteurs

Les premiers promoteurs d’une telle idée de « trou noir » comprenaient les philosophes naturels John Michell et Pierre-Simon Laplace2. Ils avaient, tous deux, fourni le raisonnement selon lequel une masse sphérique pouvait devenir si compacte que sa vitesse de sortie excéderait celle de la lumière2. Ces idées, cependant, d’une circonférence critique n’ont été avancées que dans le contexte de la physique Newtonienne et de la théorie corpusculaire de la lumière et, une fois que la théorie ondulatoire de la lumière a été acceptée au début du XIXe siècle, les idées de Michell et de Laplace ont été abandonnées par la suite. Il était difficile d’appliquer les lois de la gravité de Newton au comportement ondulatoire de la lumière et il faudra attendre, plus d’un siècle plus tard, pour que l’intérêt autour d’une telle idée soit relancé.

Le système Einsteinien 

Ce ne fut qu’en 1915, lorsque Albert Einstein formula sa théorie générale de la relativité, que notre conception de la gravité en tant que distorsions dans l’espace-temps a pris les rênes. Quelques mois plus tard, l’astronome allemand Karl Schwarzchild formulait ses solutions aux équations de champ d’Einstein3,4. Il a décrit la géométrie de l’espace-temps, appelée géométrie de Schwarzchild, autour d’un centre compact à symétrie sphérique, par exemple une étoile, et a montré que la structure de cette géométrie dépend de la masse totale de l’objet3,4. Il s’ensuit qu’un objet assez massif concentré dans un espace suffisamment petit entraînerait une courbure infinie de l’espace-temps. L’espace-temps, essentiellement, se recourberait de telle sorte que la lumière qui s’en dégage soit tellement pliée vers l’intérieur qu’elle ne s’échapperait jamais2,4,5,6. Cette limite de non-retour est ce que l’on appelle plus communément « l’horizon des événements ». Le rayon de cet horizon des événements est appelé le rayon de Schwarzchild2,4,5. Et, il deviendrait apparent plus tard que le rayon de Schwarzchild, dans le contexte de la théorie générale de la relativité et le système Einsteinien, n’est que l’idée de Michell et de Laplace d’une circonférence critique2. La différence majeure est que les modèles de Michell et de Laplace ont traité la lumière comme des particules qui ne peuvent pas échapper à un objet petit et dense.

Ces développements étaient tous des étapes essentielles qui ont contribué à initier le concept de trou noir, mais ils n’étaient pas encore suffisants pour produire une théorie des trous noirs. Toutefois, l’intérêt supplémentaire pour l’étude des systèmes gravitationnels denses a été stimulé après les travaux du physicien Subrahmanyan Chandrasekhar, dans lesquels il a montré que les naines blanches ne peuvent exister si leur masse dépasse environ 1,4 masses solaires, limite au-delà de laquelle elles ne peuvent pas être soutenues par la dégénérescence électronique7. En 1939, les travaux de Oppenheimer et Snyder, qui décrivaient mathématiquement l’effondrement d’une étoile à neutrons vers un trou noir, poussaient la théorie des trous noirs sur le devant de la scène astrophysique5. En particulier, ils ont montré l’inévitabilité de l’effondrement d’étoiles suffisamment massives vers un trou noir dans le contexte de la relativité générale, lorsqu’il n’y a rien qui empêche la condensation de la matière2,5. Un tel effondrement tend à la singularité de Schwarzchild, un point de densité infinie, de pression infinie et de courbure infinie de l’espace-temps2,5. Malheureusement, toutefois, à ce moment-là, la guerre était bien intervenue et une grande partie des prouesses intellectuelles initialement consacrées à l’étude et à la poursuite de ces phénomènes ont été détournées pour la recherche en matière de défense et la construction des choses comme la bombe atomique2. Personne ne pensera plus à cette notion de trous noirs jusqu’aux années 1950 et les travaux d’Oppenheimer et Snyder seraient largement oubliées.

Le terme «trou noir»

Bien que la plupart des fondements théoriques soutenant les trous noirs aient déjà été établis, le terme «trou noir» ne fera pas partie du lexique de l’astrophysique qu’en 1967, année où John Wheeler a dévoilé le terme dans une conférence qu’il avait prononcé devant l’American Association for the Advancement of Science à New York City2. Wheeler a relancé les travaux d’Oppenheimer et de Snyder et, après s’être opposé initialement au modèle Oppenheimer-Snyder, il a ensuite été convaincu de l’existence de trous noirs. À ce moment-là, également, des progrès technologiques ont été réalisés et les radiotélescopes pointant vers le ciel ont découvert des objets tels que les pulsars, qui étaient des étoiles à neutrons en rotation2,6. Des preuves d’observation ont commencé à émerger. Les sources de rayons X semblaient avoir des compagnons invisibles dont les masses étaient trop élevées pour être des étoiles à neutrons2,6. À la fin des années 1970, il était communément admis que les trous noirs étaient une conséquence inévitable de la théorie de la relativité d’Einstein.

Les pionniers des trous noirs ont laissé un grand héritage derrière eux. Depuis lors, des progrès expérimentaux remarquables, de la détection des ondes gravitationnelles produits par la fusion de deux trous noirs par la collaboration LIGO-Virgo en septembre 2015 au récent dévoilement de la toute première image d’un trou noir par l’équipe d’astronomes travaillant sur le « Event Horizon Telescope », ont, en outre, ancré les «trous noirs» dans le monde des faits scientifiques.

Bibliographie 

  1. Raine, D. et Thomas, E. (2005). Black holes: an introduction. London: Imperial College Press.
  2. Hawking, S. W. (1988). A brief history of time. London: Bantam Press.
  3. Hawking, S. W. et Ellis, G. F. R. (1973). The large scale structure of space–time.
  4. Hawking, S. W. and Penrose, R. (1970). The Singularities of gravitational collapse and cosmology. Proceedings of the Royal Society A. 314(1519), 529–548.
  5. Thorne, K. S. (1994). Black holes and time warps. New York: Norton, W. W. & Company.
  6. Luminet, J. P. (1992). Les trous noirs. Points, coll. Sciences.
  7. Chandrasekhar, S. (1983). The mathematical theory of black holes. Oxford: Oxford University Press.

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