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Le trou noir

Illustration d'un trou noir entouré de son disque d'accrétion de gaz et de poussières détruisant un système exoplanétaire par l'effet des marées gravitationnelles. Document T.Lombry.

Les candidats au titre de trou noir (VIII)

Les grands télescopes, les satellites de détection du rayonnement X tel que Chandra, XMM-Newton et NuSTAR ainsi que les réseaux de radiotélescopes interférométriques ont isolé plusieurs candidats[11] au titre de trous noirs potentiels.

Outre le trou noir supermassif situé au centre de la Voie Lactée, un autre candidat très célèbre est l'objet Cygnus X-1. Il s'agit d'un système double situé à environ 10000 années-lumière constitué d'une étoile "éteinte" d'environ 7 M et d'une étoile bleue de 31000 K et d’environ 30 M. Les deux composantes tournent autour de leur barycentre en 5.6 jours. La friction sur la matière provoque une dispersion du flux de gaz autour du trou noir qui tombe en spirale autour du centre obscur.

Il faut environ un mois pour que le gaz capturé en périphérie atteigne la région interne, la plus proche du trou noir. La friction continue sur le gaz porte la matière d’une température de quelques dizaines ou milliers de degrés aux limites extérieures de l’anneau d’accrétion, à plus de 10 millions de degrés près du centre !

La luminosité de ce plasma est extraordinaire et se concentre dans les rayons X qui dépassent de plusieurs millions de fois la luminosité globale du Soleil sur tout le spectre.

Le flux de rayons X qui arrive sur Terre provient de la partie interne du disque d’accrétion, une région qui s’étend sur moins de 100 km de rayon. Le trou noir doit mesurer quelque 30 km de diamètre. Ainsi que le montre bien l'animation reprise ci-dessous à gauche, à mesure que la matière se rapproche du trou noir son rayonnement se décale de plus en plus vers les longues longueurs d'ondes, raison pour laquelle le nuage isolé de gaz représenté ci-dessous prend une coloration de plus en plus rouge puis il disparaît définitivement en atteignant le rayon de Schwarzschild.

Mais ne mettons pas la charrue avant les boeufs. Comme le rappelle Jean-Pierre Luminet, directeur de recherches au CNRS et spécialiste des trous noirs, "Il suffirait que la distance qui nous sépare du système Cygnus-X1 soit plus courte de 10 % pour que la masse minimale du compagnon hyperdense tombe en dessous du seuil fatidique des trois masses solaires".

Si ceci est vrai pour ce candidat problématique proche de nous, il existe dans l'Univers des candidats au titre de trou noir bien plus massifs où même une imprécision des calculs ne change pas radicalement l'ordre de grandeur astronomique de leur masse qui s'exprime en dizaines de millions et même en milliards de masses solaires !

Au-delà de la masse critique

A gauche, illustration artistique du disque de gaz et de poussières d'environ 10 années-lumière entourant le trou noir supermassif de 15 millions de masses solaires situé au coeur de la galaxie spirale M77 alias NGC 1068, le prototype des AGN. L'existence de ce disque fut confirmée en 2015 grâce aux observations en interférométrie du VLT et en X des télescopes spatiaux NuSTAR et XMM-Newton. Chaque année, à travers ses jets polaires, ce trou noir éjecte l'équivalent de plusieurs masses solaires à environ 3000 a.l. Au centre, vue artistique du trou noir Cygnus X-1 d'environ 7 masses solaires. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (Mpeg de 3.5 MB). Consulter le texte pour les explications. A droite, le mini trou noir de 500 masses solaires qui se cache dans le coeur de la galaxie irrégulière M82 qui contient par ailleur un trou noir supermassif de 30 millions de masses solaires. Analysé en rayons X le point brillant indiqué par la flèche représente la chaleur émise par le disque d'accrétion composé de plasma qui entoure le trou noir. Cette étoile effondrée ne serait pas plus grande que la Lune. Documents NASA/JPL, Greg Bacon/STScI et Chandra/SAO/NASA.

De nombreux candidats et principalement extragalactiques ont un comportement suspect typique de celui des trous noirs. Citons quelques candidats :

- l’objet V404 Cygni qui connut des éruptions spectaculaires en 1989 et en 2015

- l'amas globulaire NGC 1601 contiendrait plusieurs centaines de trous noirs stellaires (cf. cette étude de 2016 basée sur des simulations)

- le cœur de Sagittarius A* situé au centre de la Voie Lactée

- LMC-X-3 dans le Grand Nuage de Magellan

- le cœur de la galaxie d'Andromède M31 et de son compagnon elliptique M32

- le cœur de la galaxie spirale M81

- le cœur de la galaxie irrégulière M82

- le cœur de la galaxie spirale M104 "Sombrero"

- le cœur de la galaxie spirale barrée NGC 109

- le cœur de la galaxie elliptique NGC 4261

- le coeur du compagnon diffus et massif de la galaxie NGC 6240

- le cœur des galaxies de Markarian (galaxies de Seyfert et quasars) Mrk 79, Mrk 231, Mrk 335, Mrk 501, Mrk 509, Mrk 771, Mrk 817, Mrk 1095

- le cœur des AGN Centaurus A (NGC 5128), Cygnus A, Hercules A, Perseus A, Virgo A (M87) et des galaxies de Seyfert M77 (NGC 1068) et 3C273

- le cœur des galaxies M49, M59, M60, M61, M84, M85, M88, M96, M105, M106 et M108 pour citer les plus connues.

En fait, en 2003 parmi les 120000 galaxies répertoriées par le sondage SLOAN (DSS), on estimait que 20000 d'entre elles abriteraient un trou noir supermassif. L'analyse des quasars montra que ce nombre pouvait être entre deux et cinq fois supérieur, ce qui signifie que pratiquement toutes les galaxies abriteraient un trou noir supermassif.

Aux dernières analyses, les galaxies de Seyfert et celles présentant un noyau peu actif abriteraient un trou noir supermassif de 1 à 100 millions de M tandis que les quasars abriteraient un trou noir de plus de 100 millions de M. Voyons à présent quelques sujets remarquables.

La radiosource NGC 5128, Centaurus A, située à 12 millions d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 55 millions de masses solaires. Cet AGN présente un diamètre apparent d'environ 16' soit le quart de la pleine Lune. A gauche, une photographie prise en 2012 par le télescope de 2.2 m de l'ESO à La Silla. L'exposition totale a dépassé 50 heures et révèle toute l'extension de la galaxie elliptique dont voici une photo montrant les coquilles extérieures encore plus étendues photographiées par le CTIAO. A sa droite, compositage des images optique (RGB), IR proche à 870 nm (orange), radio submillimétrique (jets extérieurs orange) et X (bleu et halo central) réalisé en 2009. A droite du centre, image en infrarouge prise par le télescope spatial Spitzer de 0.85 m en 2004 révèle une galaxie spirale prenant une forme de parallélogramme en train de tomber sur la galaxie elliptique, vraisemblablement déchiquetée par l'attraction du trou noir présumé caché dans le noyau brillant. Documents ESO, ESO/NASA et Spitzer/Caltech.

Les trous noirs supermassifs

Rappelons que selon des mesures effectuées en 2015 grâce au télescope X Chandra, les trous noirs galactiques ont une masse minimale de 50000 M. Mais de toute évidence, à l'échelle astronomique il n'y a pas de maximum ou presque ainsi que nous allons le découvrir.

Les recherches réalisées au moyen des plus grands télescopes terrestres épaulés par les télescopes spatiaux ont permis d'identifier plusieurs galaxies, quasars et objets exotiques qui abriteraient un trou noir supermassif de plusieurs millions ou milliards de masses solaires. En voici une courte liste triée par leur masse:

- le cœur du quasar ULAS J112001.48+064124.3 abriterait un trou noir supermassif d'un million de masse solaire. Mais le plus étonnant est que ce quasar est non seulement très lumineux (l'équivalent de 63000 milliards de soleils soit plus de 150 à 300 fois la Voie Lactée) mais il se trouve à plus de 13 milliards d'années-lumière (z=7.085). Il est difficile de comprendre comment un trou noir aussi massif a pu se former à peine 770000 ans après le Big Bang, dans un Univers ayant 6% de sa taille actuelle.

- Le cœur de la galaxie NGC 1365 située dans l'amas du Fourneau à 60 millions d'années-lumière abrite un trou noir supermassif de 2 millions de masses solaires. Son diamètre (horizon externe ou horizon des évènements) mesure plus de 3 millions de km et sa surface tourne pratiquement à la vitesse de la lumière (taux de rotation A* ~ 1) !

- le cœur de la galaxie M77, alias NGC 1068, une galaxie de Seyfert II prototype des AGN de magnitude apparente +9.6 située à environ 47 millions d'années-lumière abrite un trou noir supermassif de 15 millions de masses solaires entouré d'un disque d'accrétion de gaz et de poussières d'environ 10 années-lumière de diamètre. C'est la première galaxie où les astronomes ont observé en détail (résolution de 2.5 pc) le tore de poussières entourant le trou noir.

- le cœur de la galaxie spirale barrée NGC 1097 située à 45 millions d'années-lumière dans le Fourneau abriterait un trou noir supermassif de 140 millions de masses solaires.

Le blazar CTA 102 situé dans Pégase à 8 milliards d'années-lumière photographié par Tom Polakis avec un télescope de 317 mm f/6.7, 3 minutes d'exposition avec une caméra CCD SBIG ST-3603. CTA 102 brillait à la magnitude V=12.2. La petite galaxie à sa droite est NGC 7305 située à 400 millions d'années-lumière. Voir aussi l'article sur les quasars pour les images radios en haute résoluition.

- le cœur de la galaxie d'Andromède M31 situé à 2.5 millions d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 230 millions de masses solaires. Son compagnon elliptique M32 abriterait également un trou noir galactique.

- le cœur de la galaxie NGC 7052 abriterait un trou noir de 300 millions de masses solaires entouré d'un disque de gaz et de poussières d'environ 3 millions de masses solaire. Ce disque est l'un des plus vastes; son diamètre atteint 3700 années-lumière !

- le coeur du fameux blazar CTA 102 (QSO 2230+114 ou 4C 11.69) présenté à droite abrite un trou noir supermassif de plus de 851 millions de masses solaires. Ses émissions gamma ont été détectées par le satelite EGRET jusqu'à plus de 100 MeV. Rappelons que cet objet de la famille des quasars est situé à 8 milliards d'années-lumière dans Pégase. Il brille normalement à la magnitude +16.5 mais peut atteindre +13.8 lors de sursauts d'éclats comme en 2012 et 2016 (cf. ce graphique de l'AAVSO) et même descendre sous la magnitude +12 comme fin 2016, devenant le seul quasar situé à cette distance visible dans un télescope amateur de 150 à 200 mm de diamètre.

Ensuite, il y a quelques trous noirs supermassifs pesant plusieurs milliards de masses solaires, soit autant qu'une galaxie :

- Le cœur du quasar QA2237+0305 contenant la fameuse "Croix d'Einstein" abriterait un trou noir supermassif de 1 milliard de masses solaires et dont le taux de rotation, le spin A* ≥ 0.65.

- le cœur de la galaxie M87, Virgo A, alias 3C274, de magnitude apparente +9.59 située à 53.5 millions d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 3.5 milliards de masses solaires[12] et émet un jet relativiste sur 4300 années-lumière. Ce trou noir est tellement massif que les effets habituels de marées gravitationnelles ont quasiment disparu : le trou noir de M87 ne présenterait pas de disque d'accrétion.

- le cœur de la galaxie NGC 3842, la plus brillante de l'amas du Lion (Mv=12.8) située à 331 millions d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 9.7 milliards de masses solaires.

- le cœur de l'amas de galaxies MS 0735.6+7421 situé dans la constellation de la Girafe (entre Dubhe de la Grande Ourse et l'étoile polaire) abrite un trou noir supermassif de 10 milliards de masses solaires qui porte le même nom que l'amas.

Début 2005, grâce au satellite Chandra, l'astrophysicien Brian McNamara de l'Université d'Ohio et son équipe ont découvert l'une des plus grandes éruptions jamais observée autour d'un trou noir : l'énergie libérée atteignit 1061 ergs soit 1054 J ! MS 0735.6+7421 ressemble à l'amas extragalactique Perseus. En effet, tout deux affichent un disque d'accrétion central très lumineux, entouré par deux immenses cavités vides de matière, à la différence que celles de MS 0735.6+7421 sont dix fois plus vastes : elles mesurent 600000 a.l. de diamètre !

A voir : The life and death of black holes explained

A gauche, le quasar Mrk 231 abriterait un trou noir binaire supermassif de 12 milliards de masses solaires. Au centre, la configuration spatiale du trou noir binaire supermassif OJ 287 de 17 milliards de masses solaires. A droite, l'aspect dans le rayonnement X de l'étrange structure baptisée MS 0735.6+7421 comparée à l'amas Perseus à la même échelle. Le trou noir se situe dans l'objet brillant central. Documents NASA/ESA/STScI, Tuorla Obs./U.Turku et Chandra/B.McNamara et al.

Notre nouveau candidat se situe pratiquement à 3 milliards d'années-lumière et brille aussi fort que l'amas de Perseus qui se situe dix fois plus près (250 millions a.l.) !

MS 0735.6+7421 est entouré d'une immense bulle de gaz. Ce gaz qui apparaît en rouge sur l'image de Chandra présente une température de plusieurs millions de degrés. Il provient d'une immense éruption X générée par le trou noir.

Comment explique-t-on ce phénomène ? Les deux cavités qui apparaissent de part et d'autre du trou noir central (caché dans l'objet brillant) ne contiennent pas beaucoup de gaz chaud. Elles représentent en fait deux immenses bulles magnétisées contenant des électrons de très haute énergie émettant des ondes radios.

La magnitude de l'éruption découverte par Chandra suggère qu'une grande quantité de gaz et de plasma sont en train de s'engouffrer vers le trou noir central. Ce phénomène génère des champs électromagnétiques très intenses qui ont éjecté une fraction du gaz sous forme de jets bipolaires contenant des particules de haute énergie. Ces deux jets expulsés dans des directions opposées ont repoussé le gaz chaud sur les côtés, ce qui a donné naissance à ces cavités.

Selon Brian McNamara de l'Université d'Ohio, depuis qu'il existe le trou noir aurait déplacé une masse de gaz d'environ mille milliards de masses solaires ! Les trois animations présentées ci-dessus illustrent ce phénomène.

A voir : Black Hole Comparison

Tailles respectives d'un trou noir de 1 M jusqu'à celui de 20 milliards de M

Simulation de l'activité de MS 0735.6+7421

A gauche, explication de la structure de l'objet (mpeg de 1.6 MB). Au centre, comparaison de sa taille avec l'amas Perseus (mpeg de 1.4 MB). A droite, explication de la formation des cavités (mpeg de 3.5 MB). Documents Chandra/B.McNamara.

Chandra a déjà découvert des cavités de rayonnement X dans d'autres galaxies, mais celles de MS 0735.6+7421 sont à ce jour les plus vastes et les plus énergiques. Pour créer une telle éruption, McNamara estime que le trou noir supermassif central a dû engloutir sous forme de gaz l'équivalent de quelque 300 millions de masses solaires au cours des 100 derniers millions d'années, soit en moyenne entre 10 et 1000 étoiles de la masse du Soleil chaque année !

- le coeur du quasar J0100+2802 abriterait un trou noir supermassif de 12 milliards de masses solaires.

- le coeur du quasar Mrk 231, alias UGC 8058, qui est une galaxie de Seyfert de Type 1 située à 600 millions d'années-lumlière abriterait un trou noir binaire supermassif de 12 milliards de masses solaires.

- la source primaire de l'objet BL Lacertae OJ 287 de magnitude apparente +14.83 situé à 3.5 milliards d'années-lumière abriterait un trou noir binaire supermassif de 17 milliards de masses solaires autour duquel graviterait un épetit trou noir de 100 millions de masses solaires. Le diamètre du trou noir principal serait de 104 milliards de kilomètres, soit 11 fois le grand-axe de l'orbite de Neptune !

La galaxie elliptique géante NGC 4889 abrite un trou noir supermassif de 21 milliards de masses solaires et de 130 milliards de kilomètres de diamètre. Document NASA/ESA/STScI.

- le centre de l'amas de galaxies SPT-CLJ2344-424311 situé dans le Phoenix à z=0.596 contiendrait un trou noir supermassif de 20 milliards de masses solaires. On estime qu'il avalerait l'équivalent de 60 millions de masses solaires chaque année.

- le coeur de la galaxie elliptique NGC 4889 de magnitude apparente +12.9 située à 94.4 millions d'années-lumière dans l'amas de Coma abriterait un trou noir supermassif de 21 milliards de masses solaires. Son diamètre (celui de l'horizon des évènements) est de 130 milliards de kilomètres soit environ 15 fois le diamètre de l'orbite de Neptune !

- le coeur du quasar APM 08279+5255 situé à 12 milliards d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 23 milliards de masses solaires !

- le coeur du quasar H1821+643 situé à 3.4 milliards d'années-lumière dans le Dragon abriterait un trou noir supermassif de 30 milliards de masses solaires !

- le coeur de l'objet SDSS J102325.31+514251.0 abriterait un trou noir supermassif de 33 milliards de masses solaires !

- le coeur du quasar S5 0014+813 alias 6C B0014+8120 situé à 12.1 milliards d'années-lumière (z=3.366) dans Céphée abriterait un trou noir supermassif de 40 milliards de masses solaires ! C'est le record !

Ce quasar ou plus exactement ce blazar FSRQ est une galaxie elliptique géante de magnitude apparente +24. Le rayon de Schwarzschild du trou noir mesure 118.35 milliards de kilomètres. Son horizon externe mesure donc 236.7 milliards de kilomètres de diamètre, soit 47 fois la distance du Soleil à Pluton ! Sa magnitude bolométrique (en tenant compte de l'ensemble du spectre) atteint -31.5 soit 300 mille milliards (3x1014) de fois supérieure à celle du Soleil, équivalente à 25000 Voie Lactée ! Ce trou noir absorberait l'équivalent de 4000 masses solaires chaque année. Vu sa masse, on estime que ce trou noir survivra environ 101000 ans !

Avec autant d'observations, on ne peut plus évoquer des erreurs de mesures ou une propention à "voir des trous noirs partout", et moins encore quand on observe à chaque fois les mêmes phénomènes associés, des émissions X et gamma, des jets de matière, des lobes radios gigantesques et un disque d'accrétion.

Enfin, le coeur de la Voie Lactée contiendrait également un trou noir supermassif car la distribution et les mouvements des étoiles indiquent la présence d'un corps compact d'environ 4.3 millions de masses solaires qui attire à lui très rapidement les étoiles situées à quelques années-lumière de distance. Son attraction accélère certaines étoiles proches (quelques jours-lumière) jusqu'à 4500 km/s soit 16 millions de km/h ! Ce trou noir supermassif est situé dans la source Sgr A*.

Ci-dessus, le centre de la Voie Lactée observé dans le proche infrarouge par l'observatoire NACO de l'ESO. Les flèches indiquent le centre galactique. Sur la légende, le trou noir supermassif qui se trouve dans la source Sgr A* se situe près des lettres "SW" et la source IRS 16. Ci-dessous à gauche, simulation des images en fausses couleurs du trou noir supermassif Sgr A* (modèle MBQ) et de celui de M87 (modèle DJ1) que pourrait observer les astronomes grâce à l'installation VLBI de l'Event Horizon Telescope. Le trou noir est le disque sombre au centre entouré de son disque d'accrétion. L'image est floue car elle simulte l'effet de la diffusion interstellaire. La forme de croissant est provoquée par l'effet relativiste sur la lumière et la courbure des rayons suite à l'effet gravitationnel. Document extrait de Angelo Ricarte et Jason Dexter, MNRAS (2014).

Reste une question qui fache, tous ces phénomènes violents sont-ils réellement associés à des trous noirs ?

Jusqu'à la fin du XXe siècle, d’autres théories pouvaient encore récupérer ces indices à leur avantage et considérer qu’il n’existait pas de trou noir au centre des galaxies ni de trous noirs à l'échelle stellaire. Par son aspect conjectural, le trou noir est longtemps resté une entité théorique qui ne plaisait pas à tous les astrophysiciens, bien que les opposants étaient tous les jours moins nombreux.

Le rayonnement des galaxies à noyau actif et des autres objets y ressemblant peut s'expliquer par des processus naturels ne faisant pas appel aux trous noirs. Les théories avec trous noirs sont en faveur, mais sans preuves directes. Les modèles théoriques expliquant de nombreuses observations, il ne serait toutefois pas prudent de rejeter leur introduction dès lors que certains sont confirmés par l'observation du coeur de la Voie Lactée et des galaxies abritant les trous noirs les plus massifs.

Encore aujourd'hui, malgré les découvertes faites en ce domaine, la prudence qui est la règle en science impose à tous les astronomes de réserver leur jugement. Toutefois, à mesure que les observations s'accumulent, vu les énergies, les masses et l'ampleur des effets observés, il devient difficile de faire intervenir d'autres mécanismes que ceux associés à un trou noir.

De toute façon, comme le remarque humoristiquement le radioastronome François Biraud dans une lettre qu'il m'adressa, "inutile de bouleverser la physique !!", partageant par cette boutade l’interprétation de la majorité des astronomes. Nous avons un concept et des théories, incomplètes, mais elles expliquent assez bien les propriétés des trous noirs. Aucune autre modèle ne peut aujourd’hui prétendre expliquer l’ensemble de ces phénomènes de manière aussi simple qu'en faisant appel aux trous noirs.

A voir sur ce site : Alien Worlds

Illustrations de trous noirs et autres objets célestes

A gauche, le centre de la galaxie NGC 4438 dans la Vierge. La tache blanche au centre mesure 8000 a.l. et émet un jet très suspect. Au centre, grâce au Télescope Spatial Hubble, en 1998 un disque d'accrétion a été découvert dans la galaxie NGC 7052. Le disque mesure 3700 années-lumière de diamètre ! Sur base de sa vitesse de rotation, on estime qu'il abrite un trou noir de 300 millions de masses solaires entouré d'un disque de gaz et de poussières d'environ 3 millions de masses solaires. A droite, image optique de la petite galaxie Perseus-A, alias NGC 1275, contenant dix fois moins d'étoiles que la Voie Lactée. Le satellite Chandra a découvert qu'il s'agissait d'une puissante source de rayonnement X émis par des étoiles s'effondrant probablement sur un trou noir. Elle se situe à 320 millions d'années-lumière. Document NSSDC/HST et Chandra/CXC.

Les projets LIGO, eLISA et associés

Dans le cadre des vérifications des prédictions de la théorie de la relativité générale, plusieurs projets d'interférométrie gravitationnelle ont été mis sur pied : le projet LIGO constitué de deux détecteurs, l'un installé près de Livingston en Louisiane, l'autre à Hanford dans l’état de Washington, le projet VIRGO européen implanté à Cascina près de Pise, en Italie et GEO600, installé à Hanovre en Allemagne. Ces installations seront complétées par KAGRA est cours de construction au Japon et par un extension de LIGO en Inde qui devrait être opérationnelle en 2020.

L'observatoire LIGO qui est opérationnel depuis 2001 est constitué de six interféromètres laser de 4 km de longueur. Son but est de mesurer la luminosité d'un faisceau laser après sa recombinaison. Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse le détecteur, la compression ou l'expansion de l'instrument provoque une modification de l'intensité de la lumière. LIGO est en mesure de détecter les ondes gravitationnelles émises par une étoile neutron binaire, les pulsations d’un pulsar, l’explosion d’une supernova, une collision stellaire, deux trous noirs en interactions et même des éventuelles cordes cosmiques.

Bonne nouvelle, après 15 ans de recherche, la Collaboration LIGO annonça en février 2016 la découverte d'une émission d'ondes gravitationnelles résultant de la fusion de deux trous noirs. On reviendra sur cette découverte majeure en relativité.

A gauche, l'interféromètre LIGO de l'Observatoire Hanford (USA), l'un des deux systèmes du réseau aLIGO actuellement en service. Document Caltech/NFS. A droite, le projet eLISA d'interférométrie spatiale de l'ESA.

Un autre projet a été proposé par l'ESA qui envisage de lancer dans l'espace un système de détection baptisé eLISA, acronyme de "Evolved Laser Interferometric Space Array" (anc. LISA jusqu'en 2011). Son rôle sera de détecter et d'observer les ondes gravitationnelles émises par des trous noirs massifs et des étoiles doubles galactiques oscillant entre 10-4 et 10-1 Hz. Cette fréquence ne peut pas être étudiée à partir du sol en raison du bruit engendré par les perturbations gravitationnelles locales.

Le projet consiste à lancer trois paires de satellites distants de 6 millions de kilomètres sur la même orbite que la Terre à l’horizon 2025-2028 (soit avec 10 ans de retard). Lorsqu'un front d'onde gravitationnelle traversera le triangle formé par eLISA, les masses témoins placées à l'intérieur des satellites oscilleront et cette fluctuation sera mesurée.

Dans ce but, fin 2015 l'ESA lança le satellite LISA pathfinder vers le point de Lagrange L1 pour tester la technologie et les moyens de communications.

Un projet similaire baptisée OMEGA est également à l'ordre du jour de la NASA, il compta parmi les projets "sélectionnables" en 2011 mais sa réalisation n'est pas encore confirmée.

Les trous noirs primordiaux

Comme nous l'avons expliqué à propos de la théorie du Big Bang, à l'époque où l'Univers était en train de naître, avant même l'inflation, dans un Univers bien plus petit qu'une particule élémentaire, il devait en théorie déjà exister des trous noirs primordiaux. La plupart ont disparu bien avant les premières nucléosynthèses de l'ère radiative (~100 s après le Big Bang) mais les plus massifs ont pu survivre jusqu'à aujourd'hui. S'ils existent encore, comment peut-on les détecter ?

La durée de vie d'un trou noir étant proportionnelle au cube de sa masse, ceux dont la masse atteignait 1012 kg (l'équivalent d'une montagne ou d'un petit astéroïde) se sont évaporés en moins de 14 milliards d'années sous forme de radiation Hawking et ont disparu dans un ultime éclair extrêment violent de rayonnement gamma. Aujourd'hui seuls survivent les trous noirs primordiaux les plus massifs dont la masse dépasse 1012 kg. Leur taille est d'environ 10-12 mm soit voisine de celle du proton (0.84 femtomètre) ce qui rend leur détection directe impossible.

Simulation d'un trou noir primordial traversant le Soleil réalisée avec le superordinateur Pléiade de la NASA. Voir aussi la vidéo. Document Tim Sandstorm/NASA.

En revanche, comme l'ont expliqué Michael Kesden de l'Université du Texas et son collègue Shravan Hanasoge dans les "Physical Review Letters" en 2011, il serait possible de détecter le passage d'un trou noir primordial d'au moins 1018 kg (le poids d'un astéroïde mais de la taille d'un atome) à travers le Soleil car selon les simulations, comme on le voit à gauche cela devrait engendrer des oscillations de grandes amplitudes et de hautes fréquences que les moyens des observatoires actuels (par exemple le réseau d'observatoires GONG et les instruments MDI et HMI de SDO) seraient en mesure de détecter. Dans ce contexte, les étoiles deviendraient des détecteurs séismiques de trous noirs primordiaux.

Si la plupart des trous noirs primordiaux sont impossible à localiser, en revanche nous pourrions détecter leur explosion finale. A ce jour, les seules flashes gamma cosmiques détectés ont été émis par des étoiles, par le coeur de galaxies actives (des trous noirs supermassifs) ou des astres inconnus (cf. les FRB et GRB) mais jamais encore par l'évaporation et la mort d'un trou noir primordial. Mais en théorie, il existerait un moyen de les détecter.

Les astronomes pensent généralement que les éléments plus lourds que le fer produits au cours du "processus r" de nucléosynthèse ont été formés soit durant l'explosion des supernovae soit lors de la fusion d'étoiles neutrons binaires. Mais il est possible qu'un autre mécanisme ait forgé ces éléments lourds parmi lesquels on retrouve le platine, l'or ou l'uranium. Dans un article publié en 2017 dans les "Physical Review Letters", les théoriciens George Fuller, Alex Kusenko et Volodymyr Takhistov de l'UCLA ont montré que les trous noirs primordiaux qui entreraient au contact d'étoiles neutrons et les détruiraient pourraient également produire ces éléments lourds. Explications.

Selon les calculs des chercheurs, en de rares occasions il est possible qu'une étoile neutron capture un trou noir primordial et que celui-ci la dévore littéralement de l'intérieur (alors que normalement un trou noir primordial traverse entièrement une étoile comme le Soleil et la fait seulement vibrer comme on le voit ci-dessus). Ce processus violent éjecterait une partie de la matière neutronique dans l'espace. C'est ensuite que le processus devient intéressant. A mesure que l'étoile est engloutie par le trou noir primordial, son taux de rotation (spin) augmente et elle finit par éjecter de la matière neutronique froide dans l'espace qui en se décompressant s'échauffe et produit des éléments. Selon Fuller, "dans les dernières millisecondes de la destruction de l'étoile neutron, la quantité de matière éjectée est suffisante pour expliquer l'abondance observée des éléments lourds". Ce mécanisme pourrait aussi résoudre d'autres questions sans réponses, notamment concernant l'abondance des éléments dans les galaxies, y compris dans la Voie Lactée.

Sachant que ces évènements sont très rares, les astrophysiciens ne comprennent pas pourquoi 10 % seulement des galaxies naines sont enrichies en éléments lourds. Mais si on tient compte de la destruction systématique des étoiles neutrons par les trous noirs primordiaux, le manque d'étoiles neutrons dans les centres galactiques et dans les galaxies naines devient logique, prédisant que la densité des trous noirs devrait également y être la plus élevée. Mais soyons précis pour les identifier car un trou noir primordial n'est pas un trou noir stellaire (né de l'effondrement d'une étoile) ni un trou noir supermassif (situé au centre des galaxies et autres AGN), chacun se comptant par millions et davantage.

Pour valider cette théorie, les astronomes doivent encore trouver les traces de ce phénomène. On pense naturellement aux sources d'émissions dont l'origine est encore mystérieuse comme les émissions infrarouges miilimétriques qu'on appelle les "kilonova", les sursauts radioélectriques des FRB et les émissions de positrons détectées dans le centre galactique par les satellites X.

Ceci dit, l'existence des trous noirs primordiaux est toute théorique et donc spéculative. Cela ne veut pas dire qu'ils n'existent pas mais à ce jour aucune observation n'a pu confirmer leur existence. En revanche, l'existence des trous noirs stellaires et supermassifs est quasi certaine sans pour autant être confirmée car comme nous l'avons expliqué tout au long de cet article, elle repose comme l'on dit sur un faisceau d'indices concordants qu'aucune autre théorie ne peut aujourd'hui expliquer avec autant de précision.

Le secret d'Uranie

Nous voilà arrivé au terme de notre aventure extragalactique. Aujourd'hui, le modèle unifié des AGNs s'accorde parfaitement avec l'hypothèse que ces objets abritent un trou noir supermassif. Mais caché derrière son disque d'accrétion, certaines de ses propriétés sont encore des paramètres cachés sinon inconnus dans les équations qui nous empêchent de lever le voile sur sa réalité entière.

Grâce aux progrès réalisés dans l'instrumentation astronomique, les outils théoriques et les découvertes observationnelles, nous en savons tous les jours un peu plus sur la nature et les propriétés de ces astres très singuliers que sont les trous noirs. Mais malgré des résultats probants et les prédictions de la théorie des supercordes notamment, la détection d'une nouvelle particule inattendue ou la découverte d'un phénomène contredisant les lois de la physique pourrait faire s'écrouler en larmes Uranie, la Muse de l'astronomie et toute la physique sur laquelle elle repose.

Si la chance n'est pas au rendez-vous du chercheur, théoriciens, astrophysiciens et cosmologistes éprouveront de grandes difficultés pour trouver d’autres théorie pouvant expliquer le comportement très capricieux des galaxies à noyau actif, la fin ultime de l'évolution stellaire ou celle de l'Univers. Gageons que l'avenir leur donnera raison. La nature est un livre ouvert que nous devons apprendre à lire.

Pour terminer et en guise de récréation, voici le récit de voyage d'un aventurier hypothétique qui vous permettra de mieux saisir tous les aspects paradoxaux des trous noirs.

Fiction éducative

L'aventurier du trou noir

"En surfant sur le web j'avais déjà eu l'occasion de voir quelques parties de votre site sur les trous noirs, les supercordes, etc., que j'avais trouvées quasiment sans failles.", Jean-Pierre Luminet, CNRS, 3 août 2006.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Le trou noir supermassif de la Voie Lactée

Les ondes gravitationnelles

Le trou noir et le principe holographique

La théorie des cordes au secours des trous noirs

Voyage à travers un trou de ver

La théorie des supercordes

Sur Internet

Trous noirs super-massifs, noyaux actifs et quasars (vidéos), F.Comes, Collège de France

Event Horizon Telescope (et les publications)

eLISA, ESA

Les trous noirs, Bruno Navert

Galaxies à noyau actif (PDF), Didier Gilbert s/dir Florence Durret (Mémoire)

Le site de Jean-Pierre Luminet, CNRS

Schwarzschild Spacetime And Black Holes, Markus Hanke

The Kerr spacetime, Markus Hanke

Gravitational lensing by spinning black holes in astrophysics, and in the movie Interstellar, K.Thorne et al., 2016

Event Horizon Telescope (EHT) Initiative, Perimeter Institute

CASA's Relativity and Black hole links (Andrew Hamilton)

Black Hole (journey + encyclopaedia), Hubble site

Black holes, index DMOZ

Black holes - Portals into the Unknown, Thinkquest

Black holes, The Official String Theory Website

Black holes FAQ, NASA/GSFC

Black holes FAQ, CfPA

Black holes, DMATP

Publications de Kip Thorne

FAQ to sci.physics on Black holes by Matt McIrvin

NASA Virtual trip to Black Holes and neutron Stars

Quelques livres (cf. détails dans ma bibliothèque dont la section Astronomie)

Les trous noirs, Elena Ioli, Le Pommier, 2016

Les trous noirs, Matteo Smerlak, PUF-Que sais-je, 4006, 2016

Trous noirs, Leonard Susskind, Robert Laffont, 2010/2012; Gallimard-Folio Essais, 2012

Le destin de l'univers. Trous noirs et énergie sombre, Jean-Pierre Luminet, Fayard, 2006/2010; Gallimard-Folio Essais (2 tomes), 2010

La science des trous noirs, Jean-Pierre Lasota, Odile Jacob, 2010

Les trous noirs en pleine lumière, Michel Cassé, Odile Jacob, 2009

Des quasars aux trous noirs, Suzy Collin-Zahn, EDP Sciences, 2009

Sous l'empire des étoiles. Amitié, obsession et trahison dans la quête des trous noirs, Arthur I. Miller, JC. Lattès, 2008

L'Univers dans une coquille de noix, Stephen Hawking, Odile Jacob, 2001

Trous noirs et distorsions du temps, Kip Thorne, Flammarion, 1996; coll.Champs, 2001

Trous noirs et bébés univers et autres essais, Stephen Hawking, Odile Jacob, 2000

Une brève histoire du temps, Stephen Hawking, Flammarion, 1989; J'ai Lu, 2000

Les trous noirs, Jean-Pierre Luminet, Belfond-Sciences, 1987/1989/1998; Le Seuil/Points Sciences, 1992

Le destin des étoiles. Pulsars et trous noirs, George Greenstein, Seuil, 1987

Les trous noirs de l'espace (2 vol.), Pierre Kohler, Beauval, 1981; Famot, 1981

Trous noirs, Isaac Asimov, L'Etincelle, 1978

En anglais

Black Hole, Marcia Bartusiak, Yale University Press, 2015

Exploring the Invisible Universe. From Black Holes to Superstrings, B.E. Baaquie, F.H. Willeboordse, World Scientific Publ., 2015

The Cosmic Compendium. Black Holes, Rupert W.Anderson, lulu.com, 2015

Introduction to Black Hole Physics, Valeri P. Frolov et Andrei Zelnikov, Oxford University Press, 2015

Black Holes, J.Hillis Miller/Manuel Asensi, Stanford University Press, 1999

Black Holes and the Universe, Igor Novikov, Canto, 1995

Black Holes. The Membrane Paradigm, Kip Thorne et Robert Price, Yale University Press, 1986

The Mathematical Theory of Black Holes, Subrahmanyan Chandrasekhar, Oxford:Clarendon Press, 1983.

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[11] Concernant les trous noirs extragalactiques lire, J.Henry, Astrophysical Journal Letters, 285, 1984, L27 - J.Kormendy, Astrophysical Journal, 325, 1988, p128 - A.Dressler et al., Astrophysical Journal, 353, 1990, p118 - M.Rees, Scientific American, Nov.1990, p26 - M.Miyoshi et al., Nature, 373, 1995, p127. Concernant Cygnus X-1 lire, T.Belloni et G.Hasinger, Astronomy and Astrophysics, 227, 1990, pL33 - K.Yoshida, PASJ, 45, 1993, p605 - B.Harmon et al., AIP Conf. Proc. 280, 1993 “First Compton GammaRay Observatory Symposium - F. van der Hooft et al., Astrophysical Journal, 458, 1996, pL75 - D.Crary et al., Astrophysical Journal, 462, 1996, pL71-L74. Consultez également l'actualité sur les sites de Chandra, XMM-Newton et NuSTAR parmi d'autres.

[12] En 1994 (cf. “Sky & Telescope”, August 1994, p13) on estimait sa masse à un milliard de masses solaires. Elle fut réévaluée en 2011 à 6.3 milliards de masses solaires puis réestimée en 2013 par l'équipe de J.Walsh à 3.5 milliards de masses solaires.


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