Le mystère derrière les trous noirs

Les monstres de l'Univers

Les trous noirs comptent assurément parmi les objets les plus fascinants et les plus énigmatiques de l'Univers. On sait qu'ils sont extrêmement denses et qu'ils exercent une force gravitationnelle colossale à laquelle rien ne peut échapper — autant les particules de matière que les rayons électromagnétiques. Même la lumière visible ne peut s'échapper de l'emprise des trous noirs, d'où le nom qui leur a été attribué.

Lorsque les gaz, les particules de poussière et d'autres débris stellaires s'approchent d'un trou noir, mais pas suffisamment pour s'y engouffrer, finissent par former un disque aplati en rotation autour de ce que l'on appelle l'« horizon des évènements ». Cette limite est essentiellement un point de non-retour pour les particules prises au piège, parce qu'au-delà, la vitesse nécessaire pour s'échapper du champ gravitationnel dépasse la vitesse de la lumière, qui est, la vitesse ultime dans l'Univers.

Le Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) est un centre d'expertise de la recherche sur les trous noirs au Canada. Ses experts s'efforcent de comprendre comment les trous noirs supermassifs, les « monstres » primordiaux au centre des galaxies, sont devenus des millions, voire des milliards de fois, plus massives que notre Soleil, et ce, bien avant que l'Univers tel que nous le connaissons n'ait même un milliard d'années.

Voir au fond de l'abysse et déboulonner les mythes

Le cinéma et la télévision ont dépeint au fil du temps les trous noirs comme des objets massifs mystérieux, capables d'avaler des voyageurs interstellaires ou de causer des catastrophes naturelles. Évidemment, ces œuvres visent avant tout à divertir et non à éduquer. Certaines questions se posent toutefois au sujet des trous noirs, c'est pourquoi nous avons demandé à l'un de nos experts, le chercheur Tyrone Woods, boursier Plaskett au Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique, de démystifier certaines des croyances les plus répandues au sujet de ces objets.

La première question qui nous vient à l'esprit est la suivante : les trous noirs sont-ils effectivement noirs? Étonnamment, ils ne le sont pas! À l'intérieur des trous noirs et autour d'eux, le champ gravitationnel est tellement puissant que rien ne parvient à s'échapper, ni même la lumière. Cela signifie que les trous noirs n'émettent aucune onde lumineuse et n'ont donc aucune couleur. Si les chercheurs peuvent les observer, c'est grâce aux objets qui se trouvent dans leur cercle d'influence et qui en s'éloignant de nous semblent émettre une lumière rouge.

Un autre mythe très répandu au sujet des trous noirs est leur capacité à avaler tout ce qui se trouve dans leurs parages. Les trous noirs sont plus denses que tout autre objet connu, mais ils exercent une force gravitationnelle comme tout objet existant dans l'Univers, y compris la Terre. La différence est qu'ils occupent un très petit volume compte tenu de leur masse phénoménale. Ce rapport cause une courbure dans l'espace-temps qui est tellement accentuée que rien ne peut s'en échapper, et que les objets qui franchissent l'horizon des évènements d'un trou noir ne peuvent jamais en sortir. La véritable question est de savoir où aboutissent tous ces objets prisonniers. À ce jour, personne ne le sait. C'est pourquoi les trous noirs sont un objet d'étude aussi fascinant encore aujourd'hui.

Est-il possible qu'un trou noir cause des ouragans et des raz-de-marée sur Terre? Si la Terre devait s'approcher de trop près de V616 Monocerotis, le trou noir le plus rapproché dans notre galaxie, il est certain que notre climat serait perturbé, mais si un trou noir devait s'approcher de la Terre, alors là ce serait le désastre!

Combien de trous noirs existent dans l'Univers? À l'heure actuelle, nous connaissons 3 catégoriesde trous noirs : les trous de masse stellaire, ceux de masse intermédiaire et les trous noirs supermassifs. Nous avons confirmé l'existence de 10 à 100 trous noirs de taille stellaire, environ 100 de masse intermédiaire et autour de 5 millions à 80 millions de trous supermassifs. Les découvertes récentes ont mené les scientifiques à conclure qu'il existe au moins un trou noir supermassif au centre de chaque galaxie et plusieurs autres de masse stellaire. Il y aurait donc des milliards et des milliards de trous noirs dans l'Univers.

À la découverte de l'inconnu

Même si Einstein avait prédit leur existence dès 1916, le premier trou noir n'a été détecté qu'en 1971, et la première image d'un tel objet n'a pu être prise qu'en 2019. Depuis des années, nous savons que des mégatrous noirs se sont formés alors que l'Univers était encore jeune. Chris Willott, chercheur principal au CNRC, a d'ailleurs été l'un des artisans de cette découverte. La question qui demeure est de savoir comment ces objets sont devenus aussi massifs aussi rapidement.

L'une des théories des chercheurs veut que ces trous noirs très massifs apparus très tôt se soient formés après l'effondrement d'étoiles supermassives, qui étaient nées de la fusion d'une constellation d'étoiles primordiales. Le chercheur Tyrone Woods a rédigé un article (en anglais seulement) sur ces objets, dans lequel il explique ce à quoi auraient ressemblé ces amas d'étoiles fusionnées et comment ils se seraient contractés pour former les premiers trous noirs massifs. L'article a été publié dans le magazine New Scientist plus tôt cette année.

Beaucoup d'autres travaux de recherche se sont intéressés à l'utilisation du télescope spatial James-Webb et d'autres instruments dans lesquels le CNRC a une participation déterminante pour découvrir des trous noirs. Ces travaux sont intimement liés à la question plus vaste concernant le rôle que les trous noirs supermassifs ont pu jouer dans l'évolution des galaxies où ils se trouvent. La chercheuse Laura Ferrarese a d'ailleurs effectué des travaux fondamentaux sur cette question au CNRC.