En février 2016, des physiciens du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ont rapporté la première observation d’ondes gravitationnelles, émanant de deux trous noirs, chacun environ 30 fois plus massif que le Soleil et situés à 1.3 milliard d’années-lumière. Les physiciens peuvent donc désormais étudier les trous noirs comme des objets concrets. Mais ces derniers sont-ils les mêmes trous noirs que ceux prédits par la relativité générale ? S’agit-il de véritables trous noirs, ou d’objets se rapprochant de la description donnée par la théorie d’Einstein ? Tandis que plusieurs cosmologistes n’ont aucun doute quant à la réponse, d’autres adoptent des positions plus mesurées. Sans rejeter en bloc l’identité des trous noirs indirectement observés, plusieurs astrophysiciens affirment que plus de tests observationnels concernant les propriétés directes des trous noirs de la relativité générale doivent être effectués pour statuer définitivement sur la question.
Les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont repéré quatre douzaines de fusions de trous noirs depuis la détection révolutionnaire de LIGO. En avril 2019, une collaboration internationale appelée Event Horizon Telescope (EHT) a produit la première image d’un trou noir. En dirigeant des radiotélescopes du monde entier sur le trou noir supermassif au cœur de la galaxie voisine Messier 87 (M87), l’EHT a imagé la structure de l’objet massif.
Les astronomes suivent également des étoiles qui se rapprochent du trou noir au centre de notre propre galaxie, suivant des chemins qui peuvent contenir des indices sur la nature du trou noir lui-même. Les observations remettent déjà en question les hypothèses des astrophysiciens sur la manière dont les trous noirs se forment et influencent leur environnement. Les plus petits trous noirs détectés par LIGO et, maintenant, le détecteur d’ondes gravitationnelles européen Virgo en Italie, se sont avérés plus lourds et plus variés que prévu, ce qui a mis à rude épreuve les connaissances des astrophysiciens concernant les étoiles massives progénitrices.
Et l’environnement autour du trou noir supermassif de notre galaxie semble étonnamment fertile, grouillant de jeunes étoiles qui ne devraient pas se former dans un tel maelström. Mais certains physiciens ressentent l’ombre d’une question plus fondamentale : voient-ils vraiment les trous noirs prédits par la théorie d’Einstein ?
Les trous noirs prédits par la relativité générale
Certains théoriciens affirment que oui. « Je ne pense pas que nous en apprendrons davantage sur la relativité générale ou la théorie des trous noirs », déclare Robert Wald, théoricien de la gravitation à l’université de Chicago. D’autres n’en sont pas si sûrs : « Les trous noirs sont-ils strictement les mêmes que ceux auxquels vous vous attendez à voir avec la relativité générale ou sont-ils différents ? Cela va être un axe majeur des futures observations », indique Clifford Will, un théoricien de la gravitation à l’Université de Floride.
Toute anomalie nécessiterait de repenser la théorie d’Einstein, que les physiciens soupçonnent de ne pas être la théorie la plus complète de la gravité, étant donné son absence actuelle de compatibilité avec la mécanique quantique. En utilisant de multiples techniques, les chercheurs acquièrent déjà des points de vue différents et complémentaires sur ces objets étranges.
C’est notamment le travail d’Andrea Ghez, astrophysicienne à l’Université de Californie, qui a partagé le prix Nobel de physique 2020 pour avoir inféré l’existence du trou noir supermassif au cœur de notre galaxie. « Nous sommes encore loin d’avoir une image complète. Mais nous sommes certainement en train de mettre en place davantage de pièces du puzzle ».
D’Isaac Netwon à Albert Einstein
Constitué d’énergie gravitationnelle, un trou noir est une somme de contradictions. Il ne contient aucune matière, mais possède une masse et peut tourner. Il n’a pas de surface, mais a une taille. Il se comporte comme un objet imposant et massif, mais n’est en réalité qu’une région particulière de l’espace.
Einstein publie ses travaux sur la relativité générale en 1915. Sa célèbre équation relie le contenu en énergie-matière à la géométrie de l’espace-temps. Crédits : Wikimédia
C’est ce que dit la relativité générale, publiée par Einstein en 1915. Deux siècles plus tôt, Isaac Newton avait postulé que la gravité est une force qui, d’une manière ou d’une autre, traverse l’espace pour attirer des objets massifs les uns vers les autres. Einstein est allé plus loin et a soutenu que la gravité survient parce que des objets massifs tels que les étoiles et les planètes déforment l’espace-temps, provoquant la courbe des trajectoires d’objets tombant librement.
Les premières prédictions de la relativité générale ne différaient que légèrement de celles de la théorie de Newton. Alors que Newton a prédit qu’une planète devrait orbiter son étoile dans une ellipse, la relativité générale prédit que l’orientation de l’ellipse devrait avancer légèrement, ou montrer une précession, avec chaque orbite. Dans le premier triomphe de la théorie, Einstein a montré qu’elle expliquait la précession jusqu’alors inexpliquée de l’orbite de la planète Mercure. Ce n’est que des années plus tard que les physiciens ont réalisé que la théorie impliquait également quelque chose de beaucoup plus radical.
Horizon des événements et théorème de la calvitie
En 1939, le théoricien J. Robert Oppenheimer et ses collègues ont calculé que lorsqu’une étoile suffisamment massive brûlait, aucune force connue ne pouvait empêcher son noyau de s’effondrer en un point infinitésimal, laissant derrière lui son champ gravitationnel comme un puits permanent dans l’espace-temps. À une certaine distance du point, la gravité serait si forte que même la lumière ne pourrait pas s’échapper. Tout ce qui se rapprocherait serait coupé du reste de l’univers, selon David Finkelstein, théoricien du Caltech, en 1958.
Cet « horizon des événements » n’est pas une surface physique. Un astronaute qui tomberait à travers ne remarquerait rien de spécial. Néanmoins, selon Finkelstein, décédé quelques jours à peine avant l’annonce de LIGO en 2016, l’horizon agirait comme une membrane à sens unique, laissant les objets tomber, mais les empêchant de sortir.
La solution de Schwarzschild aux équations de la relativité générale pour une distribution de masse sphérique, sans rotation de charge nulle, fait apparaître des notions clés comme l’horizon des événements, la singularité et le rayon de Schwarzschild. Crédits : Sarita Chauhan
Selon la relativité générale, ces objets — finalement nommés trous noirs par le célèbre théoricien John Archibald Wheeler — devraient également présenter une similitude surprenante. En 1963, Roy Kerr, un mathématicien néo-zélandais, a découvert comment un trou noir rotatif d’une masse donnée déformerait l’espace-temps. D’autres ont rapidement prouvé qu’en relativité générale, la masse et la rotation sont les seules caractéristiques qu’un trou noir peut avoir, ce qui implique que la formule mathématique de Kerr, connue sous le nom de métrique de Kerr, décrit chaque trou noir existant.
Wheeler a surnommé le résultat « le théorème de la calvitie », pour souligner que deux trous noirs de même masse et même rotation sont aussi indiscernables que des têtes chauves. Certains physiciens soupçonnaient que les trous noirs n’existeraient peut-être pas en dehors de l’imagination des théoriciens, indique Sean Carroll, théoricien à Caltech. Les sceptiques ont fait valoir que les trous noirs pourraient être un artefact des mathématiques subtiles de la relativité générale, ou qu’ils ne pourraient se former que dans des conditions irréalistes, telles que l’effondrement d’une étoile parfaitement sphérique.
Un trou noir de Kerr est un trou noir en rotation. De fait, il possède une ergosphère (zone d’entraînement de l’espace-temps) en plus d’un horizon des événements. Crédits : MesserWoland
Cependant, à la fin des années 1960, Roger Penrose, théoricien à l’Université d’Oxford, a dissipé ces doutes avec des mathématiques rigoureuses, pour lesquelles il a partagé le prix Nobel de physique 2020. « Penrose a exactement prouvé que, non, non, même si vous avez une chose grumeleuse, tant que la densité devenait suffisamment élevée, elle allait s’effondrer en un trou noir », explique Carroll.
A-t-on véritablement détecté des trous noirs ?
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Peu de temps après, les astronomes ont commencé à voir des signes de véritables trous noirs. Ils ont repéré de minuscules sources de rayons X, telles que Cygnus X-1, chacune en orbite autour d’une étoile. Les astrophysiciens ont déduit que les rayons X provenaient du gaz s’écoulant de l’étoile et s’échauffant lorsqu’il tombait sur l’objet mystérieux. La température du gaz et les détails de l’orbite impliquaient que la source de rayons X était trop massive et trop petite pour être autre chose qu’un trou noir. Un raisonnement similaire suggère que les quasars, des galaxies lointaines émettant des radiations, sont alimentés par des trous noirs supermassifs en leur centre.
Mais personne ne pouvait être sûr que ces trous noirs étaient réellement ce que les théoriciens avaient imaginé, note Feryal Özel, astrophysicien à l’Université de l’Arizona (UA). Par exemple, « très peu de ce que nous avons fait jusqu’à présent établit la présence d’un horizon des événements. C’est une question ouverte ».
Désormais, avec de multiples façons d’observer les trous noirs, les scientifiques peuvent commencer à tester leur compréhension et à rechercher des éléments qui pourraient révolutionner la physique. « Même si c’est très improbable, ce serait extrêmement important si nous découvrions qu’il y avait un écart par rapport aux prédictions de la relativité générale », selon Carroll.
Les cosmologistes espèrent donc répondre à trois questions spécifiques : les trous noirs observés ont-ils vraiment des horizons des événements ? Sont-ils aussi dépourvus de caractéristiques que le dit le théorème de la calvitie ? Et déforment-ils l’espace-temps exactement comme le prédit la métrique de Kerr ?
Le mouvement des étoiles autour d’un trou noir
L’outil le plus simple pour y répondre est peut-être celui que Ghez a développé. Depuis 1995, elle et ses collègues utilisent le télescope Keck de 10 mètres à Hawaï pour suivre les étoiles autour d’une source radio appelée Sagittarius A * (Sgr A *) au centre de notre galaxie. En 1998, les vitesses élevées des étoiles ont révélé qu’elles tournaient autour d’un objet 4 millions de fois plus massif que le Soleil. Parce que Sgr A * comprend tant de masse dans un si petit volume, la relativité générale prédit que ce doit être un trou noir supermassif.
Orbites de différentes étoiles autour de Sgr A*. Celle de S0-2 est surlignée. Crédits : Keck/UCLA Galactic Center
Reinhard Genzel, astrophysicien à l’Institut Max Planck d’astrophysique, a suivi indépendamment les étoiles pour arriver à la même conclusion et a partagé le prix Nobel avec Ghez. La plupart des informations proviennent d’une seule étoile, surnommée SO2 par Ghez, qui tourne autour de Sgr A * une fois tous les 16 ans. Tout comme l’orbite de Mercure autour du Soleil montre une précession, il en va de même pour l’orbite de SO2. Ghez et ses collègues essaient maintenant de démêler cette précession à partir de données extrêmement compliquées.
S’ils ont un peu de chance, Ghez et son équipe espèrent rechercher d’autres anomalies qui sonderaient la nature du trou noir supermassif. Proche du trou noir, sa rotation devrait modifier la précession de l’orbite d’une étoile d’une manière prévisible à partir de la description mathématique de Kerr. « S’il y avait des étoiles encore plus proches que celles qu’ils ont vues — peut-être 10 fois plus proches — alors vous pourriez tester si la métrique de Kerr est exactement correcte », dit Will.
Tester la relativité générale grâce à l’Event Horizon Telescope
L’EHT, qui combine les données de 11 radiotélescopes à travers le monde pour former, essentiellement, un grand télescope, a offert un examen plus approfondi d’un autre trou noir supermassif, l’objet de 6.5 milliards de masses solaires au centre de M87. La célèbre image que l’équipe a publiée il y a 2 ans, qui ressemble à un cercle enflammé, est plus compliquée qu’il n’y paraît. L’anneau lumineux émane du gaz chaud, mais le centre sombre n’est pas le trou noir lui-même. Il s’agit plutôt d’une « ombre » projetée par le trou noir lorsque sa gravité déforme la lumière du gaz en face de lui.
Le bord de l’ombre ne marque pas l’horizon des événements, mais plutôt une distance d’environ 50% plus loin où l’espace-temps est juste assez déformé pour que la lumière qui passe orbite le trou noir, sans s’échapper ni tomber dedans. Même ainsi, l’image contient des indices sur l’objet en son centre. Le spectre de l’anneau lumineux pourrait révéler, par exemple, si l’objet a une surface physique plutôt qu’un horizon d’événements. La matière s’écrasant sur une surface brillerait encore plus brillamment que la matière glissant dans un trou noir, explique Özel.
Images de la structure du trou noir supermassif M87* provenant des observations de l’EHT menées entre 2009 et 2017. Les colonnes correspondent aux rendus de différents modèles. Crédits : Maciek Wielgus et al. 2020
Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont constaté aucune distorsion spectrale. La forme de l’ombre peut également tester l’image classique d’un trou noir. L’horizon des événements d’un trou noir en rotation devrait gonfler à l’équateur. Cependant, d’autres effets en relativité générale devraient neutraliser cet effet sur l’ombre. « En raison d’une annulation très curieuse de l’écrasement dans différentes directions, l’ombre semble toujours circulaire. C’est pourquoi la forme de l’ombre devient un test direct du théorème de la calvitie », explique Özel.
Certains chercheurs doutent que l’EHT puisse imager le trou noir avec suffisamment de précision pour de tels tests. Samuel Gralla, un théoricien de l’UA, se demande si l’EHT voit même une ombre de trou noir ou simplement regarde le disque de gaz tourbillonner autour du trou noir de haut en bas, auquel cas la tache sombre est simplement l’œil de cet ouragan astrophysique. Mais Özel dit que même avec une résolution limitée, l’EHT peut contribuer de manière significative à tester la relativité générale.
Sonder les trous noirs à l’aide des ondes gravitationnelles
Les ondes gravitationnelles, en revanche, transmettent des informations directement à partir des trous noirs eux-mêmes. Générées lorsque les trous noirs dansent ensemble à la moitié de la vitesse de la lumière, ces ondulations dans l’espace-temps passent sans entrave à travers la matière ordinaire. LIGO et Virgo ont détecté des fusions de trous noirs avec des masses allant de trois à 86 masses solaires.
Les fusions peuvent sonder les trous noirs de plusieurs manières, explique Frank Ohme, théoricien de la gravitation et membre de LIGO à l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle. En supposant que les objets sont des trous noirs classiques, les chercheurs peuvent calculer à partir de la relativité générale comment le signal d’onde gravitationnelle d’une fusion devrait accélérer, culminer dans un pic, puis retomber. Si les partenaires massifs sont en fait des objets matériels plus grands, alors lorsqu’ils se rapprochent, ils doivent se déformer mutuellement, modifiant le pic du signal. Jusqu’à présent, les chercheurs ne voient aucune altération, dit Ohme.
Le trou noir final ondule brièvement, mais puissamment, à une fréquence principale et à de multiples harmoniques plus courtes. Selon le théorème de la calvitie, ces fréquences et durées de vie ne dépendent que de la masse et de la rotation du trou noir final. « Si vous analysez chaque mode individuellement, elles doivent toutes pointer vers la même masse de trou noir et la même rotation ou quelque chose ne va pas », conclut Ohme.
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