Qu’est-ce qu’un trou noir : horizon des événements, taille et preuves de son existence
Un trou noir est une région de l’espace où la gravité est si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper une fois franchie une frontière appelée horizon des événements. Les trous noirs stellaires se forment quand une étoile massive n’a plus de combustible et que son cœur s’effondre ; un trou noir de la masse du Soleil aurait un horizon d’environ 3 km de rayon seulement. Ce n’est pas un trou, mais une très grande masse concentrée dans un tout petit espace.
La question qu’est-ce qu’un trou noir appelle une réponse courte et une longue liste de malentendus : ce n’est pas un aspirateur cosmique, ce n’est pas un trou dans quoi que ce soit et, depuis 2019, ce n’est plus seulement un dessin. Ce guide donne d’abord la définition, puis la taille d’un trou noir sous forme d’un nombre que l’on peut calculer, ce qui se passerait près de lui et les preuves qu’il est réel. La lecture prend environ six minutes.
Idées essentielles
- Un trou noir est une masse si concentrée que la vitesse de libération à son horizon des événements dépasse la vitesse de la lumière, 299 792 km/s : rien ne peut en ressortir.
- La taille de l’horizon est r = 2GM/c², soit environ 2,95 km par masse solaire : le Soleil serait un trou noir de 3 km de rayon, la Terre un trou noir d’environ 9 mm.
- Un trou noir n’attire pas tout de loin : remplacez le Soleil par un trou noir de même masse et les planètes gardent leurs orbites. Le danger n’existe que près de l’horizon, où les forces de marée étirent la matière, ce que l’on appelle la spaghettification.
- Les preuves sont directes : LIGO a détecté en septembre 2015 des ondes gravitationnelles de trous noirs en fusion, et l’Event Horizon Telescope a imagé l’ombre de M87* en 2019 et de Sagittarius A* en 2022.
- Ce qui se passe à l’intérieur de l’horizon est inconnu : la relativité générale prédit une singularité, mais la physique telle que nous la connaissons cesse d’y fonctionner.
La réponse courte : une gravité si forte que la lumière ne peut sortir
Lancez une balle vers le haut : elle retombe, sauf si vous la lancez plus vite que la vitesse de libération, qui vaut 11,2 km/s pour la Terre. Plus un objet est lourd et petit, plus cette vitesse est élevée. Si la masse est comprimée au point que la vitesse de libération à une certaine distance dépasse celle de la lumière, 299 792 km/s, rien ne peut partir de l’intérieur de cette distance. Cette frontière est l’horizon des événements.
La NASA insiste sur le fait que l’horizon des événements n’est pas une surface comme celle de la Terre ou du Soleil. C’est une frontière qui contient toute la matière du trou noir, et de l’extérieur on ne peut pas voir ce qui se trouve dedans. La relativité générale prédit au centre un point de densité infinie, la singularité, mais les scientifiques s’accordent à dire que notre physique cesse d’y fonctionner, et la NASA rappelle que nous ignorons beaucoup de choses sur la matière à l’intérieur de l’horizon.
Comment se forme un trou noir et quelle est sa petitesse
Le type le plus familier, le trou noir stellaire, naît quand une étoile massive n’a plus de combustible. Le cœur ne supporte plus le poids de l’étoile, s’effondre, et dans de nombreux cas les couches extérieures sont expulsées lors d’une explosion de supernova. On pense que des étoiles d’à peu près 20 masses solaires ou plus laissent des trous noirs, même si la limite exacte reste incertaine. Le plus léger des trous noirs connus, selon la NASA, ne fait que 3,8 fois la masse du Soleil. L’idée d’une étoile si lourde que la lumière ne pourrait s’en échapper a été évoquée pour la première fois par John Michell en 1783.
En 1916, quelques mois après la publication de la relativité générale par Einstein, Karl Schwarzschild a trouvé la taille de l’horizon : r = 2GM / c², où G est la constante gravitationnelle, M la masse et c la vitesse de la lumière. Pour une masse solaire, cela donne environ 2,95 km. Le Soleil comprimé en une boule de 3 km de rayon serait donc un trou noir, et la Terre devrait être comprimée à environ 9 millimètres, la taille d’un petit pois.
Le rayon croît proportionnellement à la masse, d’environ 2,95 km par masse solaire. Le trou noir au centre de notre Galaxie, Sagittarius A*, a environ 4 millions de masses solaires et un rayon d’horizon d’environ 12 millions de km. M87*, dans une galaxie voisine, a environ 6,5 milliards de masses solaires, et son horizon a un rayon d’environ 130 fois la distance de la Terre au Soleil, plus large que tout notre système planétaire.
Ce qui se passerait près d’un trou noir
Un trou noir n’aspire pas les choses de loin. La NASA rappelle que si l’on remplaçait le Soleil par un trou noir de même masse, le système solaire deviendrait bien plus froid, mais les planètes resteraient sur leurs orbites. La gravité à distance ne dépend que de la masse, et celle du Soleil ne changerait pas. Le danger n’existe qu’en s’approchant.
La gravité augmente à mesure que l’on s’approche, et l’attraction sur vos pieds serait plus forte que sur votre tête. Cette différence, la force de marée, étire un astronaute en une forme longue et fine, ce que les scientifiques appellent la spaghettification. Près d’un petit trou noir, cela se produit avant l’horizon, alors que près d’un géant vous franchiriez l’horizon avant que l’étirement ne devienne mortel.
La gravité ralentit aussi le temps. Une horloge près de l’horizon bat plus lentement, vue de loin. Une forme plus faible du même effet est réelle et mesurée : les horloges des satellites GPS marchent à un rythme légèrement différent de celui des horloges au sol, et le système le corrige.
Comment savons-nous que les trous noirs existent
Le 14 septembre 2015, les détecteurs LIGO ont enregistré des ondes gravitationnelles, des rides de l’espace-temps, venues de deux trous noirs en fusion à environ 1,3 milliard d’années-lumière. Ils avaient environ 36 et 29 masses solaires et ont fusionné en un trou noir d’environ 62 : environ 3 masses solaires se sont donc transformées en ondes gravitationnelles, selon E = mc². LIGO peut détecter une variation de longueur inférieure à un dix-millième de la largeur d’un proton. La découverte a été annoncée le 11 février 2016.
Le 10 avril 2019, l’Event Horizon Telescope, un réseau de radiotélescopes sur plusieurs continents qui fonctionne comme un seul télescope aussi grand que la Terre, a montré la première image d’un trou noir : un anneau brillant autour d’une ombre sombre au cœur de la galaxie M87, à 55 millions d’années-lumière. En mai 2022, la même équipe a présenté le trou noir au centre de la Voie lactée, Sagittarius A*, à environ 27 000 années-lumière. Ces images sont assemblées par ordinateur à partir de signaux radio et ne sont pas prises comme une photographie ordinaire.
Le prix Nobel de physique 2020 a été attribué pour moitié à Roger Penrose, pour avoir montré que la formation de trous noirs est une prédiction robuste de la relativité générale, et pour moitié à Reinhard Genzel et Andrea Ghez, pour la découverte d’un objet compact supermassif au centre de notre Galaxie en suivant les orbites d’étoiles autour de lui. Le trou noir connu le plus proche, Gaia BH1, est à environ 1 500 années-lumière, selon la NASA : la Terre ne court aucun danger.
Comment le VJOURNAL SMART BOOK le montre
Le chapitre « Les trous noirs » du SMART BOOK gratuit « Tout sur tout », tome II, sur VITON13 SCHOOL suit ces idées en cinq courts moments. À côté du texte, une image 3D vivante se tourne au doigt ou à la souris.
Sous l’image se trouve un bac à sable où vous déplacez la masse et lisez le rayon de l’horizon. Le chapitre traite aussi de la spaghettification et du temps ralenti, de l’ombre de M87* et de l’image de Sagittarius A*, des premières ondes gravitationnelles, puis propose un quiz de trois questions avec explications et des sources à ouvrir.
En mots simples
Imaginez une colline si raide que, pour en sortir, il faudrait courir plus vite que la lumière, ce que rien ne peut faire. Un trou noir est cette colline dans l’espace. Son bord est l’horizon des événements, et à l’intérieur tous les chemins ne mènent que vers le fond.
À vous de jouer
Utilisez la règle r ≈ 2,95 km × (masse en masses solaires) pour trouver le rayon de l’horizon de trous noirs de 3, 10 et 100 masses solaires.
Résultat attendu
Environ 8,9 km, 29,5 km et 295 km. Un trou noir de la masse d’une grosse étoile n’est pas plus grand qu’une ville, et le rayon croît au même rythme que la masse.
Vérifiez votre réponse: Sagittarius A* a environ 4 millions de masses solaires. Quel est à peu près le rayon de son horizon, et comment se compare-t-il au rayon du Soleil, 696 000 km ?
4 000 000 × 2,95 km font environ 11,8 millions de km, soit à peu près 12 millions de km. C’est environ 17 fois le rayon du Soleil, mais moins que la distance du Soleil à Mercure.
Questions et réponses
Un trou noir peut-il avaler la Terre ou le Soleil ?
Pas de loin. À distance, un trou noir attire comme n’importe quel objet de même masse. Le plus proche connu, Gaia BH1, est à environ 1 500 années-lumière, selon la NASA.
Qu’y a-t-il à l’intérieur d’un trou noir ?
Personne ne le sait. La relativité générale prédit une singularité de densité infinie, mais la physique connue s’y effondre, et aucune observation ne peut regarder à l’intérieur de l’horizon des événements.
Quelle est la taille du plus gros trou noir ?
La NASA cite TON 618 comme le plus massif observé, avec environ 66 milliards de fois la masse du Soleil. Ces valeurs sont des estimations et le record peut changer.
Peut-on voir un trou noir ?
On ne voit pas le trou noir lui-même, mais on voit le gaz chaud qui l’entoure et son ombre sombre. L’Event Horizon Telescope a imagé M87* en 2019 et Sagittarius A* en 2022.
Que se passerait-il si l’on tombait dans un trou noir ?
Les forces de marée vous étireraient, c’est la spaghettification, et les horloges près de l’horizon sembleraient ralentir vues de l’extérieur. L’endroit exact où l’étirement devient mortel dépend de la masse du trou noir.
Les trous noirs durent-ils éternellement ?
En théorie, ils perdent lentement de l’énergie sous forme de rayonnement de Hawking. Pour un trou noir d’une masse solaire, il est si faible que l’évaporation prendrait bien plus de temps que l’âge actuel de l’Univers, et ce rayonnement n’a jamais été observé.
Retenez la définition en une ligne : un trou noir est une masse si comprimée que rien, pas même la lumière, ne peut sortir de l’intérieur de son horizon des événements, et sa taille croît d’environ 2,95 km par masse solaire. Ouvrez ensuite le chapitre et déplacez la masse dans le bac à sable.
Sources et lectures
- NASA Science: Black holes (essential facts) ↗Sources consultées:
- LIGO Caltech: Observation of gravitational waves from a binary black hole merger (GW150914) ↗Sources consultées:
- ESO: Astronomers capture the first image of a black hole (M87*, 2019) ↗Sources consultées:
- ESO: First image of the black hole at the centre of our Galaxy (Sagittarius A*, 2022) ↗Sources consultées:
- Nobel Prize in Physics 2020: press release (Penrose, Genzel, Ghez) ↗Sources consultées: