Histoire fantastique, pure spéculation ou phénomène identifié, les observations gamma, radioélectriques et optiques tentent à confirmer que le statut des trous noirs est celui de la réalité. Des trous noirs existeraient au centre des galaxies actives et des amas globulaires compacts. En effet, les trous noirs ne sont pas seulement présents isolément dans l'espace, suite à l'effondrement d’étoiles supermassives. Certains se situent très probablement au centre des radiosources et présentent un volume confiné dans quelques milliards de km (quelques heures-lumières). Leur masse s'échelonne entre une fraction et quelques milliards de masses solaires.

A gauche, superposition des images optique et radio de la radiosource NGC 4261 alias 3C270 située dans la Vierge. Les jets s'étendent sur environ 30 kpc, 100000 années-lumière ! Au centre, l'image agrandie du disque d'accrétion couvrant 6" ou 2400 années-lumière ! Le trou noir se situe à 20 années-lumière du centre géométrique de cet AGN. A droite, illustration de l'attraction d'une étoile errante par un tour noir qui finit par l'engloutir. Documents STSCI et MPE/Stefanie Komossa.

Les propriétés du trou noir permettent d'imaginer un scénario d'évolution pour les galaxies présentant un noyau actif, les fameux AGN.

Bien que pratiquement aucune énergie ne puisse s'échapper d'un trou noir, drainant la matière ambiante, son environnement proche est entraîné dans un mouvement tourbillonnaire dans lequel le plasma devient lumineux suite à l'agitation électronique. Par transfert du moment angulaire, le trou noir signale sa présence par des émissions électromagnétiques intenses, des jets optiques et radios dirigés et des flash gamma qui signalent la disparition des étoiles. Le coeur de cette galaxie qui au départ brillait normalement est devenu des milliards de fois plus lumineux. Si le trou noir devient hypermassif, il peut porter son influence à plusieurs dizaines d'années-lumière. Observées aux longueurs d'ondes radios, cette galaxie à noyau actif présente deux immenses lobes chauds qui partent du trou noir et s'étendent dans deux directions opposées jusqu'à plusieurs années-lumière. Les trous noirs seraient ainsi à l'origine des phénomènes les plus intenses de l'univers, du rayonnement des quasars aux jets de matière à des vitesses relativistes.

A ce propos justement, malgré le fait que Roy Kerr avait prédit en 1963 que les trous noirs étaient en rotation, jusqu'en 2003, aucun scientifique ne pouvait encore affirmer qu'un trou noir tournait réellement sur lui-même. En effet, personne n'en a jamais observé, leur observation étant rendue très difficile. Ce que nous observons en fait, c'est le disque d'accrétion qui entoure le trou noir qui est tout aussi brillant qu'une étoile, tant aux longueurs d'ondes visibles que radios.

Les recherches se sont donc portées sur la matière circulant dans le voisinage immédiat des trous noirs pour essayer d'y détecter un mouvement tourbillonnaire ou d'autres indices allant dans ce sens. Todd Strohmayer de la NASA a ainsi détecté en 2003 l'existence d'un mouvement de rotation dans le rayonnement X émis par les trous noirs.

Les immenses jets qui s'en échappent par les pôles indiquent également qu'ils résulteraient d'un mouvement de rotation qui générerait la force nécessaire à ces émissions gargantuesques. Il ne s'agit bien sûr que d'indices indirects, mais tout le monde croit aujourd'hui que les trous noirs sont en rotation sur eux-mêmes, comme la plupart des étoiles.

Evénements associés aux trous noirs

Les propriétés des trous noirs pourraient expliquer plusieurs types d’événements :

- Rayonnement X et gamma. Les étoiles les plus proches de l'horizon du trou noir se heurtent à des forces gravitationnelles qui déchirent leur enveloppe, formant un anneau d'accrétion incandescent qui tombe vers lui. La matière fortement perturbée est portée à une température infernale et émet de puissants rayonnements X et gamma. A plusieurs millions de degrés l'énergie potentielle gravitationnelle est convertie en rayonnement. Les abords du trou noir émettent sur un spectre continu que nous pouvons déceler, présentant en ondes radios une brillance si intense qu'aucun masque ne peut la réduire. Au centre de ce spot intense se trouve le minuscule trou noir. L'évaporation des mini-trous noirs devrait également se traduire par des émissions gamma, mais à ce jour aucune observation n'a pu confirmer les prédictions de Hawking.

- Emissions X oscillantes. Le disque d’accrétion subit des mouvements turbulents qui créent des oscillations dans le plasma tombant sur le trou noir. Ces flashes ne durent que quelques centièmes à quelques dix millième de seconde. Ces émissions ne ressemblent pas aux émissions pulsées des pulsars.

A consulter : Gamma-Ray Burst Real-Time Monitoring

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A gauche, aspect extérieur et vu à la verticale du disque d'accrétion et du changement de fréquence de la lumière autour d'un trou noir et d'une étoile à neutron. A droite, les différents types d'émissions associées à un trou noir. Documents CfA/U.College et GSFC adapté par l'auteur.

- Rayonnement synchrotron. Le disque d'accrétion qui se forme autour du trou noir émet un rayonnement intense, d'origine non stellaire et variable, fonction de la quantité de matière qui tombe dans le piège gravitationnel. Ces particules sont sous l'emprise d'un champ magnétique intense qui peut engendrer des vitesses relativistes et des émissions sporadiques polarisées. Ce rayonnement synchrotron ne contribue pas ou peu aux émissions infrarouges qui ne sont pas polarisées.

- Raies d'émissions. Les nuages de gaz qui entourent le trou noir sont ionisés par le rayonnement intense en provenance du disque d'accrétion. Les particules deviennent instables, subissent une intense agitation électronique et des perturbations magnétiques qui produisent des raies larges ou dédoublent les raies fines (effet Zeeman). Lorsque les particules sont relativement stables, loin de la fournaise du trou noir, les raies restent fines. Cet élargissement des raies indique que le plasma est animé de mouvements rapides, entraîné par la zone d'influence du trou noir. Il s'agit d'un effet Doppler d'origine gravitationnel.

- Jets de matière. Le plasma entraîné à grande vitesse vers le trou noir forme un immense disque d'accrétion autour de la singularité. En s'effondrant, une certaine quantité de matière reste confinée dans la région de l'ergosphère. Sous l'emprise d'un intense champ magnétique, cette matière subit un effet accélérateur qui lui donne suffisamment d'énergie pour s'échapper à une vitesse relativiste de la sphère d'influence du trou noir. Etant donné que le disque d'accrétion l'empêche de se dissiper dans le plan du disque, les seules échappatoires sont les régions polaires du trou noir qui éjectent un important flux de matière à grande distance sous forme de jets très directifs composés de condensations brillantes.

- Lobes radios symétriques. Le phénomène de transfert d'énergie s'accompagne de l'éjection de plasma. Excité par la friction électronique dans un milieu raréfié, il est porté à plusieurs millions de degrés. Il est éjecté symétriquement de part et d'autre de l'axe de rotation du trou noir et forme une onde de choc qui perturbe le milieu ambiant, ce que nous captons comme des points chauds d'émissions très intenses à quelques degrés de distance.

A lire : Les rayons cosmiques tracés jusqu'aux galaxies

A gauche représentation artistique du noyau d'une galaxie active. A droite Arp 331 alias 3C31. L'image radio réalisée à 3.6 et 21 cm (en rouge) a été superposée sur une image optique (en bleu). Selon toute probabilité les jets sont émis par un trou noir hébergé au centre de l'astre. Document VLA/NRAO/Alan Bridle.

- Etoiles en mouvements. Les étoiles plus éloignées sont entraînées vers ce gouffre, accélérant leur course jusqu'à acquérir une vitesse de 10000 km/s qui éjecterait n'importe quel autre étoile de sa trajectoire; les étoiles multiples peuvent voir leur compagnon éjecter de la zone d'influence du trou noir avec une vitesse de libération de l'ordre de 1000 à 4000 km/s, traversant la galaxie à des vitesses 100 fois plus élevées que les étoiles ordinaires. Mais leur taille ponctuelle ne permettrait pas de les détecter à partir de la Terre. Elles peuvent toutefois être décelées si elles traversent un environnement plus dense qui permet la formation d'un front de choc. Les modèles prédisent que si de gigantesques trous noirs se situent au centre des galaxies, 200 étoiles super-rapides pourraient ainsi quitter les noyaux galactiques. Si ne fut-ce qu'une seule étoile super-rapide était détectée, ce serait un indice supplémentaire qui confirmerait l'existence des trous noirs au centre des galaxies.

- Rayonnement des quasars. Dans les années '70, les physiciens américains Brandford et Znajeh ont démontré que si on plaçait un trou noir en rotation dans un champ magnétique extérieur, il générait un puissant champ électrique. C’est l’effet dynamo à l'image de celui entretenu par le noyau de la Terre. Dans le voisinage d’un trou noir, le champ magnétique est transporté par le gaz interstellaire qui tombe vers la singularité suite au mouvement d’accrétion. Lorsque ce circuit externe est installé, la dynamo peut produire du courant, elle génère des particules qui se chargent près du trou noir suite à l’interaction du rayonnement avec les particules déjà présentes alentour. Un quasar peut ainsi se former dans le noyau des galaxies actives.

- Rayons cosmiques intenses. Les rayons cosmiques les plus intenses détectés sur Terre (>5.7x10¹⁸ eV) ont été tracés jusqu'au coeur des galaxies actives et sont émis par des trous noirs supermassifs, les seuls astres capables de produire une énergie d'une telle intensité par leur disque d'accrétion et le phénomène dynamo.