Contacter l'auteur / Contact the author

Recherche dans ce site / Search in this site

 

Le trou noir

Illustration d'un trou noir supermassif en rotation entouré de son disque d'accrétion. Les collisions entre débris et la chaleur générée dans l'accrétion combinées à l'effet Doppler augmentent l'éclat du côté du disque s'approchant de l'observateur, donnant l'impression d'observer l'explosion de supernovae. Document ESO/ESA/Hubble, M. Kornmesser

L'origine des trous noirs supermassifs (IX)

Si on peut faire l'inventaire des trous noirs supermassifs et essayer d'étudier les propriétés de leur environnement au moyen des plus grands télescopes, satellites et des réseaux radioastronomiques, il est difficile d'expliquer l'origine d'astres aussi massifs et volumineux. Les trous noirs supermassifs situés à 13 milliards d'années-lumière, correspondant à seulement 5 % de l'âge actuel de l'Univers, posent un sérieux défi aux théoriciens qui ne comprennent pas encore très bien les mécanismes physiques qui forment ces trous noirs et assurent leur croissance.

A défaut de pouvoir les étudier in situ, la seule solution est de simuler leur évolution à partir des lois de la physique et des dernières découvertes en matière cosmologique. En effet, même si une simulation n'est jamais qu'un modèle de la réalité contenant beaucoup d'approximations, il est déjà arrivé que les astronomes finissent par découvrir des particules ou des phénomènes uniquement sur base des résultats de simulations fondées sur des données incomplètes mais significatives (cf. la découverte du boson de Higgs ou celle des baryons manquants). On peut donc imaginer apprendre quelque chose sur l'origine des trous noirs supermassifs en simulant leur formation dans des modèles proches des conditions régnant dans l'Univers primordial. C'est à ce travail théorique mais porteur de beaucoup d'espoirs que se sont attelés quelques chercheurs.

Une équipe internationale dirigée par Naoki Yoshida de l'Institut Kavli/IPMU publia en 2017 dans la revue "Science" les résultats d'une simulation exécutée sur des superordinateurs Cray XC30 (dont ceux du CfCA de la NOAJ) recréant la formation d'un trou noir massif à partir des courants de gaz supersoniques laissés après le Big Bang. Leur étude montre que de petits trous noirs pourraient donner naissance aux trous noirs supermassifs qu'on observe aujourd'hui.

Des études théoriques ont suggéré que les trous noirs supermassifs se sont formés soit à partir des résidus des étoiles de la première génération qu'a justement étudié Naoki Yoshida soit par effondrement gravitationnel direct d'un nuage massif de gaz primordial (voir page 2). Cependant, ces théories permettent difficilement de former des trous noirs supermassifs assez rapidement soit nécessitent des conditions très particulières.

Shingo Hirano actuellement à l'Université du Texas à Austin, a identifié un processus physique prometteur à partir duquel un trou noir massif pourrait se former assez rapidement. Pour être efficace, le mécanisme proposé tient compte de l'effet des mouvements d'un gaz supersonique par rapport à la matière noire omniprésente. Des simulations antérieures ont montré que la matière noire se serait formée lorsque l'Univers avait seulement 100 millions d'années vers z=13.7. Selon la théorie des chercheurs, les flux de gaz supersoniques générés par le Big Bang furent capturés par la matière noire beaucoup plus massive et forma un nuage de gaz dense et turbulent. À l'intérieur, le coeur d'une protoétoile commença à se former. Du fait que le gaz environnant fournissait plus de matière que nécessaire pour alimenter la protoétoile, celle-ci est devenue rapidement très massive sans libérer beaucoup d'énergie.

A gauche, l'un des ordinateurs Cray XC30 utilisé par l'IPMU pour simuler l'évolution des trous noirs supermassifs. Au centre, simulation dans l'Univers primordial de la distribution de la densité de la matière noire (en bleu) et du gaz (en orange) au cours de la formation d'une étoile massive de première génération entre z=90 et z=30.5 soit il y a plus de 13.5 milliards d'années, à l'époque de la réionisation où la température de l'Univers était déjà inférieure à 100 K. A droite, un gros-plan sur la formation de la protoétoile environ 100000 ans après le début de la phase d'accrétion. Les zones bleues sont les nuages denses de gaz en accrétion rapide tandis que la région centrale blanche représente la zone centrale turbulente où le gaz est en train de tomber (accréter) rapidement sur le coeur de la protoétoile en gestation. Le gaz va augmenter sa masse jusqu'à 34000 fois celle du Soleil, provoquant son effondrement et formant un trou noir massif qui va continuer de croître jusqu'à former un trou noir supermassif. Documents IPMU et Shingo Hirano et al adaptés par l'auteur.

Selon Yoshida, "une fois atteinte la masse de 34000 fois celle du Soleil, l'étoile s'est effondrée sous sa propre gravité, créant un trou noir massif". Ces trous noirs massifs nés dans l'univers primitif ont continué à croître pour former des trous noirs supermassifs. Selon Hirano qui réalisa l'une des simulations, "la densité numérique des trous noirs massifs est d'environ un par volume de trois milliards d'années-lumière de côté, remarquablement proche de la densité numérique observée des trous noirs supermassifs".

Le résultat de cette étude va certainement apporter des renseignements utiles aux futures recherches sur l'évolution des trous noirs massifs. A ce sujet, on attend impatiemment le lancement du télescope spatial James Webb prévu en 2018 qui devrait permettre d'augmenter le nombre d'observations de trous noirs massifs et supermassifs dans l'univers profond et aider les astronomes à préciser l'époque exacte à laquelle l'Univers fut totalement réionisé..

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 Pléiades 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 AGNs), 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

The Kerr spacetime: A brief introduction" (PDF), Matt Visser, 2008

Lecture Notes on General Relativity (PDF), Sean M. Carroll, 1997

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

Relativité générale, George Efstathiou, Michael Hobson et Anthony Lasenby, de boeck, 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

The Formation and Disruption of Black Hole Jets, s/dir Ioannis Contopoulos, Springer Int'l Publ., 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.

Retour à l'Astrophysique

Page 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 -


Back to:

HOME

Copyright & FAQ