Chapitre 6 · D’une étoile qui s’effondre à une onde de l’espace-temps
Les trous noirs
Le point de non-retour
Imaginez que vous lancez une balle vers le haut. Elle retombe, sauf si vous la lancez à la vitesse de libération, qui est de 11,2 km/s pour la Terre. Plus un objet est lourd et petit, plus cette vitesse est élevée. Quand une étoile massive n’a plus de combustible, son cœur peut s’effondrer au point que la vitesse de libération dépasse celle de la lumière, 299 792 km/s. La frontière où cela se produit est l’horizon des événements. À l’intérieur, rien ne peut ressortir, pas même la lumière. On pense que les étoiles de plus de 20 fois environ la masse du Soleil finissent ainsi. L’idée d’une étoile sombre a été évoquée pour la première fois par John Michell en 1783.
Quelle taille a un trou noir ?
En 1916, quelques mois après la publication de la relativité générale par Einstein, Karl Schwarzschild a trouvé la taille de l’horizon : r = 2GM divisé par c au carré, où G est la constante gravitationnelle, M la masse et c la vitesse de la lumière. Exemple résolu pour le Soleil : sa masse donne un r d’environ 2,95 kilomètres, donc le Soleil comprimé en une boule de 3 km de rayon serait un trou noir. Pour la Terre, le rayon est d’environ 9 millimètres, la taille d’un petit pois. Dans le bac à sable, déplacez la masse et regardez le rayon. Le trou noir central de la Voie lactée, Sgr A*, a environ 4 millions de masses solaires et un rayon d’environ 12 millions de km.
Spaghettification
Un trou noir n’aspire pas. Si l’on remplaçait le Soleil par un trou noir de même masse, la Terre continuerait à tourner exactement comme maintenant. Le danger n’existe que si l’on s’approche. La gravité augmente à mesure que vous avancez, et l’attraction sur vos pieds est plus forte que sur votre tête. Cette différence, appelée force de marée, étire un astronaute en une forme longue et fine, que les scientifiques appellent spaghettification. Pour un petit trou noir, cela se produit avant l’horizon, et pour un géant, à l’intérieur. La gravité ralentit aussi le temps : une horloge près de l’horizon bat plus lentement, vue de loin. Une version plus faible du même effet est corrigée dans les horloges des satellites GPS.
L’ombre de M87*
Un trou noir est sombre, mais le gaz qui l’entoure brille. Le 10 avril 2019, l’Event Horizon Telescope, un réseau de radiotélescopes sur plusieurs continents qui agit comme un télescope grand comme la Terre, a montré la première image d’un trou noir : un anneau lumineux autour d’une ombre sombre dans la galaxie M87, à environ 55 millions d’années-lumière. Le trou noir a une masse d’environ 6,5 milliards de Soleils, et son horizon mesure environ 130 fois la distance de la Terre au Soleil, plus large que tout notre système planétaire. L’anneau est dissymétrique parce que le gaz d’un côté se déplace vers nous.
Notre propre trou noir
Le 12 mai 2022, la même équipe a présenté le trou noir au centre de notre Galaxie, le Sagittaire A*, à environ 27 000 années-lumière de nous. Il est beaucoup plus petit, d’environ 4 millions de masses solaires, et le gaz qui l’entoure change en quelques minutes, ce qui a rendu l’image plus difficile à obtenir. Il montre aussi un anneau. Les deux images, celle du plus grand géant et celle de notre géant le plus proche, se ressemblent, ce qui conforte la relativité générale d’Einstein. L’image n’est pas une photographie au sens ordinaire : elle a été assemblée à partir de signaux radio enregistrés à différents endroits et combinés par des ordinateurs.
Des ondulations nées d’une collision
Quand deux trous noirs tournent l’un autour de l’autre et fusionnent, ils secouent l’espace lui-même et émettent des ondes gravitationnelles. LIGO a détecté les premières le 14 septembre 2015 et les a annoncées le 11 février 2016. Deux trous noirs de 36 et 29 Soleils ont fusionné en un seul de 62, à 1,3 milliard d’années-lumière. Exemple résolu : 36 + 29 = 65, mais il est resté 62, donc environ 3 masses solaires ont disparu et sont devenues des ondes gravitationnelles via E = mc². LIGO a mesuré un changement de longueur des milliers de fois plus petit que la largeur d’un proton. La découverte a reçu le prix Nobel de physique en 2017.
En chiffres
- ≈ 3 km
- le rayon de Schwarzschild du Soleil
- 2019
- la première image d’un trou noir, M87*
- 14 sept. 2015
- LIGO détecte les premières ondes gravitationnelles