Comment se forment les trous noirs ?

Contexte historique

Les trous noirs n'ont jamais été observés, en tant que tels : ils sont dès l'origine un problème intellectuel. L'idée d'un astre " invisible " est apparue à la fin du XVIIIe siècle, comme une énigme théorique. Dans le cadre de la théorie de l'attraction universelle élaborée par Isaac Newton, l'astronome amateur John Mitchell propose en 1783 l'hypothèse que la lumière puisse également subir les lois de la gravitation : dès lors, il imagine qu'il puisse exister un corps à la masse si importante qu'il puisse retenir la lumière. Ce corps, qui se comporterait comme un autre corps, serait tout de même détectable par la rotation des corps célestes autour de lui. Mitchell donne un " ordre de grandeur " d'un tel astre : ainsi un astre noir ayant la masse d'un Soleil aurait un rayon de 3 km. Un peu plus tard, en 1796, dans son Exposition du système du monde, le mathématicien et astronome Pierre de Laplace reprend cette idée, mais, très contesté, il en abandonne la présentation dans les éditions successives de son ouvrage.

Le terme de " trou noir " est forgé en 1967 par John Wheeler. A cette date, les " trous noirs " sont devenus d'importants objets d'études pour les astrophysiciens grâce notamment aux progrès théoriques importants qui ont suivi la publication de la relativité générale. Depuis 1915, mathématiciens et physiciens explorent les propriétés de l'espace-temps, dont la géométrie non euclidienne est complexe et qui permet d'étudier des objets dans leur aspect mathématique. Par exemple, le physicien indien Subrahmanyan Chandrasekhar montre qu'un corps non-radiatif, au-delà d'une certaine masse (appelée depuis limite de Chandrasekhar), s'effondre sur lui-même, car aucune force ne pourrait contrarier l'effet de la gravitation. Ces études, riches et très variées, rencontrent de vives résistances de la part des physiciens, en particulier d'Albert Einstein, qui jugent que ces objets mathématiques n'ont aucun sens physique.

Parallèlement à ces études théoriques, les astronomes avancent des théories sur la formation des étoiles. L'évolution des instruments d'observation, tout particulièrement après la Seconde Guerre mondiale, donne un nouveau souffle à la théorie des trous noirs. Grâce à l'interférométrie, étude des spectres d'interférence optique, les astronomes obtiennent des mesures de plus en plus précises des objets observés. Après la Seconde Guerre mondiale, l'évolution des cette technologie dans le domaine des ondes radio permettent d'observer de nouveaux objets dans l'espace. Dès lors, les études deviennent nombreuses pour comprendre, de manière théorique, ce qu'est un trou noir et comment il se comporte, ou encore comment se comporte la matière à son alentour. C'est d'autant plus aisé que, selon la théorie de la relativité générale, les trous noirs sont des objets définis uniquement par leur masse, leur moment angulaire (ou vitesse de rotation) et, éventuellement, leur charge électrique. Ces études permettent d'envisager des modèles, qui sont comparés aux observations : elles ont données lieu à la fabrication d' " images " de trous noirs, tels qu'on pourrait les imaginer d'après les modèles physiques. Depuis le milieu des années 1990, les observations du satellite Hubble, un télescope à rayons X, ont permis d'envisager que certains corps célestes, dont l'énergie est d'apparence colossale, seraient des bons candidats pour la découverte de trous noirs. Leur " luminosité " s'expliquerait, en effet, par l'attraction d'un trou noir : ce serait celle des corps lumineux attirés par celui-ci.

Bibliographie :

Jean-Pierre Luminet, " Les trous noirs et la forme de l'espace ", Qu'est-ce que l'Univers ?, Université de tous les savoirs, sd Y. Michaud, vol.4 , pp. 258- 269.

Jean Eisenstaedt, Avant Einstein, relativité, lumière, gravitation, Paris, Le Seuil, 2005.

Jean-Pierre Luminet, Les trous noirs, Paris, Le Seuil, " Points Sciences ", 1992.

Kip Thorne, Trous noirs et distorsions du temps, Paris, Flammarion, " Champs Sciences ", 2001.

Éclairage média

" A la poursuite des étoiles " est une émission annuelle de Robert Clarke qui débute en 1962 et s'achève en 1981. Au cours des années 1970, elle choisit le débat de plateau où sont conviés scientifiques et public : les jeux télévisés et les émissions littéraires proposent un modèle pour ce renouvellement de la forme du magazine de science. Le jour de l'émission, une classe de collège est invitée ainsi que Jean Heidman, astronome à l'observatoire de Meudon, à laquelle se mêlent des journalistes. Le format reproduit donc l'interrogation naïve des enfants à des adultes ; or, il apparaît que les questions sont convenues, préparées, puisque les réponses peuvent donner lieu à des projections de montages de clichés de l'univers. Les réponses, quant à elles, sont simplifiées pour un jeune public.

Sur le sujet spécifique du trou noir, l'usage des documents projetés n'est pas sans poser problème : en effet, en l'absence d'indications visuelles (comme le rendu particulier de la gravure pour une illustration), certains montages peuvent laisser croire qu'il s'agit de clichés réels, alors qu'ils ne sont que la mise en forme d'un modèle théorique. L'univers et l'espace, fascinants en raison de l'esthétique des images astronomiques et des questions qu'ils permettent d'aborder, restent aujourd'hui des sujets privilégiés des émissions sur la science. L'astrophysicien Hubert Reeves, en particulier avec l'animation " La nuit des étoiles ", reste aujourd'hui un interlocuteur privilégié des médias audiovisuels sur la compréhension de l'Univers.