Espace : on vous explique comment la science y voit plus clair sur les trous noirs

Ils font partie des objets du cosmos qui fascinent le plus. Les trous noirs réussissent désormais à faire parler d'eux dans les médias grand public, car "les connaissances sur le sujet sont l'objet de grands progrès ces dernières années", remarque auprès de franceinfo l'astrophysicienne Françoise Combes.

Franceinfo explique comment ont été réalisées ces avancées sur ces objets mystérieux si denses que même la lumière ne peut s'en échapper.

En détectant des ondes gravitationnelles (prévues par Einstein)

Les progrès sont "essentiellement dus à ceux des instruments", résume Jean-Pierre Luminet, directeur de recherche émérite au CNRS. "La théorie classique des trous noirs était très bien établie depuis deux décennies", remarque l'auteur de L'Univers en 40 questions (éditions Librio). Toutefois, "il manquait des choses vraiment convaincantes sur l'observation directe des trous noirs", relève-t-il.

"Jusqu'aux ondes gravitationnelles, en 2015, nous n'avions vu que des arguments relativement indirects, mais assez solides, sur l'existence des trous noirs."

Jean-Pierre Luminet, astrophysicien

à franceinfo

>> Trois questions pour tenter de comprendre les ondes gravitationnelles

Que s'est-il passé en 2015 ? Deux instruments de mesure ont détecté pour la première fois une onde gravitationnelle de façon directe. Ces ondes sont d'infimes ondulations de l'espace-temps qui se propagent dans l'Univers à la vitesse de la lumière. Elles sont produites sous l'effet du déplacement d'un objet de très grande masse. Albert Einstein les avait conceptualisées en 1916. Près d'un siècle plus tard, un observatoire américain a réussi la première détection d'une telle onde. Celle-ci est née pendant la dernière fraction de seconde avant la fusion de deux trous noirs, le phénomène gravitationnel le plus violent de l'Univers.

Pour cette première, les trois Américains Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne ont obtenu le prix Nobel de physique, en 2017. Ce sont eux qui ont mis au point le détecteur ayant réalisé la mesure : l'instrument Ligo, pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

>> A quoi la découverte des ondes gravitationnelles va-t-elle bien pouvoir servir ?

L'astronomie gravitationnelle s'est retrouvée en pleine lumière. Elle a ensuite rapidement poursuivi son chemin. Le détecteur européen Virgo a identifié à son tour, en septembre 2017, pour la première fois, des ondes gravitationnelles.

En découvrant un nouveau type de trous noirs

L'exploitation des données collectées par les instruments Ligo et Virgo ont permis d'autres progrès importants. Grâce à leurs observations, la famille des trous noirs s'est agrandie, avec ceux dits de "masse intermédiaire".

Les scientifiques connaissaient depuis de nombreuses années les trous noirs supermassifs, qui se trouvent notamment au centre des galaxies et qui atteignent des millions, voire des milliards de masses solaires. A l'autre bout de l'éventail, ils connaissent également depuis longtemps les trous noirs dits stellaires, qui font quelques masses solaires. L'existence de trous noirs de 30 à 40 masses solaires a été prouvée en 2015. Mais, en 2019, les scientifiques ont mis en évidence l'existence de trous noirs de taille plus importante que ces derniers, avec la découverte d'un trou noir de 142 masses solaires. Ce calibre n'avait encore jamais été détecté directement, la catégorie des trous noirs de masse intermédiaire commençant à 100 fois la masse de notre soleil.

C'est le "chaînon manquant", expliquait alors à franceinfo la physicienne Marie-Anne Bizouard, chercheuse au CNRS, évoquant une "étape importante". "Pour moi, la découverte récente la plus marquante est celle de l'existence de trous noirs de masse intermédiaire, confirme Françoise Combes. Ces trous noirs de masse intermédiaire ne peuvent pas venir de l'explosion en supernova d'une étoile massive en fin de vie, mais seulement de la fusion successive de trous noirs de plus en plus massifs."

En utilisant un télescope virtuel de la taille de la Terre (pour obtenir de premières images)

Un trou noir est extrêmement dense, comme si toute la masse de la Terre se retrouvait dans une noisette. La densité est si élevée que la matière ne peut s'en échapper, ni même la lumière. En principe, il est donc impossible de saisir une image de trou noir. En revanche, l'effet qu'il produit sur son voisinage le trahit.

C'est ce que l'on voit sur la toute première image d'un trou noir, qui a été publiée en avril 2019. Un événement qui a marqué l'histoire de l'astronomie. L'objet en question est le trou noir supermassif qui se trouve au centre de la galaxie M87, à 50 millions d'années-lumière de la Terre.

Pour obtenir cette image, une collaboration internationale, l'Event Horizon Telescope (EHT), a été mobilisée. Elle regroupe une dizaine de radiotélescopes et d'observatoires répartis autour de la Terre, de l'Europe jusqu'à l'Antarctique, en passant par le Chili et Hawaï. En combinant les instruments, comme s'ils étaient les fragments d'un miroir géant, les astronomes parviennent à disposer d'un télescope virtuel de la taille de la Terre. Avec un tel diamètre et une telle puissance, c'est comme si l'on pouvait observer depuis New York une personne en terrasse à Paris, et distinguer les bulles dans son verre.

La même collaboration internationale a remis le couvert et a révélé, en mai 2022, la première image du trou noir de notre galaxie, la Voie lactée  : Sagittarius A*.

>> Pourquoi la publication de la première image du trou noir au centre de notre galaxie est historique pour la recherche spatiale

Que montrent ces images ? Jean-Pierre Luminet, qui avait réalisé les premières simulations numériques de trous noirs dès 1978, souligne que les deux images "se ressemblent" alors que les ordres de grandeur ne sont pas du tout les mêmes : la masse du trou noir au centre de la galaxie M87 est 1 500 fois supérieure à celle de celui au centre de la Voie lactée. "On trouve les mêmes choses à deux échelles différentes. C'est la confirmation éclatante de l'un des aspects de la théorie des trous noirs : une forme d'unicité des trous noirs."

En utilisant une carte en 3D de la Voie lactée (pour repérer les trous noirs les plus discrets)

Détecter les trous noirs n'est pas facile. Ils sont habituellement repérés par leurs émissions de rayons X. Cela signifie qu'ils doivent être en couple avec au moins une étoile et que cette relation se trouve dans une période très particulière lors de laquelle a lieu un échange de matière entre les deux objets, c'est-à-dire lorsque le trou noir commence à "dévorer" l'étoile. "Cette phase dure peut-être 10 000 ans. Un clin d'œil à l'échelle cosmique", commente Jean-Pierre Luminet. L'ensemble de ces conditions pose de nombreux freins à la détection des trous noirs. Mais ils ont été levés, notamment, grâce au projet Gaïa.

Lancé en 2013, ce projet effectue un relevé des étoiles de notre galaxie. Il s'agit de les répertorier, de noter leur position, leur déplacement, leur âge. Objectif : réaliser une cartographie en trois dimensions de la Voie lactée. Après avoir observé quelque deux milliards d'étoiles, les équipes de Gaïa ont publié, en mai 2022, une carte avec une précision jamais atteinte.

L'analyse de ces données a permis de détecter des trous noirs qui étaient jusqu'alors passés inaperçus, a annoncé l'Agence spatiale européenne (ESA) (en anglais), le 30 mars dernier. L'attention des scientifiques a été attirée par la très faible oscillation de certaines étoiles. Il s'avère, en y regardant de plus près, qu'elle était causée par la présence de trous noirs dans leur voisinage.

Ces deux trous noirs, appelés BH1 et BH2, sont les plus proches de nous à notre connaissance. BH1 se trouve à 1 560 années-lumière de nous en direction de la constellation Ophiuchus, et BH2 à 3 800 années-lumière de nous, dans la constellation du Centaure. A l'échelle de l'Univers, c'est comme s'ils se trouvaient "dans notre jardin", souligne l'ESA.

Ces deux nouveaux trous noirs ne sont pas des mangeurs d'étoiles. Ils tombent dans la catégorie des trous noirs dormants, c'est-à-dire qu'ils interagissent très peu avec leur environnement.

"Grâce aux nouvelles techniques extrêmement précises, on commence à débusquer les trous noirs silencieux."

Jean-Pierre Luminet, astrophysicien

à franceinfo

Les chercheurs s'attendent à ce que des objets du même type soient découverts en grand nombre dans notre galaxie, d'autant que la mission Gaïa doit se poursuivre jusqu'en 2025.

En faisant appel à la puissance du télescope James Webb

Longuement attendu, le télescope le plus puissant jamais envoyé dans l'espace ne déçoit pas depuis son lancement en décembre 2021. Le James Webb (JWST) a été conçu pour observer les premiers instants de l'Univers. Et c'est ce qu'il a fait en détectant le plus vieux trou noir jamais découvert, a annoncé la Nasa (en anglais) le 6 avril. Avec sa taille imposante (20 millions de fois la masse du Soleil), ce trou noir n'aurait rien à faire là, selon les scénarios établis jusqu'à maintenant.

De quoi mettre à mal l'ensemble nos connaissances ? Absolument pas, assure Jean-Pierre Luminet. Toutefois, "cela pose des questions sur la vitesse de la formation des grandes structures", relève-t-il.

"Cela ravive une hypothèse vieille de 30 ou 40 ans, et qui avait été laissée de côté : celle d'une première génération de trous noirs. Des trous primordiaux, qui se seraient formés juste après le Big Bang, dans les secondes qui l'ont suivi."

Jean-Pierre Luminet, astrophysicien

à franceinfo

"J'étais très sceptique sur les trous noirs primordiaux. Je ne le suis plus", glisse auprès de franceinfo Marta Volonteri, spécialiste des trous noirs supermassifs au CNRS, anticipant des annonces importantes "dans les prochains mois". Jean-Pierre Luminet avance avec prudence que des trous noirs primordiaux (qui auraient pu faire entre 100 000 et 1 million de fois la masse du Soleil) ont peut-être servi de "germes" pour donner naissance à un mastodonte tel que celui découvert récemment. Une hypothèse qui, comme d'autres, doit être vérifiée.

L'étude des trous noirs est en pleine effervescence. Et la dynamique ne va pas s'arrêter : la mission européenne Euclid, qui doit être lancée en juillet, va étudier la vitesse de l'expansion de l'Univers, la matière sombre, l'énergie sombre, et nourrir encore davantage les travaux sur les trous noirs.