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Trous noirs

Ces astres au nom énigmatique ne sont pour les astrophysiciens, ni mystérieux, ni rares: il en existe selon toute vraisemblance plusieurs dizaines de millions dans une galaxie comme la nôtre. Mais, comme ils n'émettent pas de lumière, ils sont très difficiles à observer. L'un d'eux est en particulier l'objet de toutes les attentions: il s'agit d'un trou noir géant, situé exactement au centre de notre galaxie, et qui est suffisamment gros et suffisamment proche pour révéler ses secrets.

Qu'est-ce-que c'est?

La gravitation est la force à l'origine de l'attraction entre toute les masses dans l'Univers. C'est elle qui fait que la Lune tourne autour de la Terre, que la Terre tourne autour du Soleil, et ainsi de suite. C'est elle qui fait que nous gardons les pieds sur Terre, et que même en lançant de toutes nos forces un objet en l'air, celui-ci finit par retomber. Bien sûr, il reste possible d'échapper à l'attraction terrestre. Pour ce faire, une fusée doit dépasser les 40 000 km/h, soit environ 11 kilomètres par seconde. Cette vitesse de libération, comme on l'appelle, peut être calculée pour n'importe quel astre. Plus il est massif, et plus il est petit, plus la vitesse de libération est grande. Un trou noir n'est rien d'autre qu'un astre suffisamment compact pour que rien, pas même la lumière avec sa vitesse de 300 000 kilomètres par seconde ne peut s'en échapper. Un tel astre apparaîtrait à n'importe quel observateur comme étant parfaitement sombre.
Les trous noirs ne sont pas qu'une vue de l'esprit: on sait que les étoiles massives finissent leur vie ainsi, et que plusieurs dizaines de millions de ces cadavres stellaires hantent probablement notre galaxie. On sait aussi que toutes les galaxies hébergent en leur centre un trou noir qui, comparativement est bien plus gros et bien plus massif. D'où viennent ces trous noirs super-massifs? C'est aujourd'hui un mystère, que seule l'étude plus poussée de ces objets permettra de lever.

Comment les étudie-t-on?

Les trous noirs n'émettent pas de lumière. Pour les étudier, on s'intéresse donc plutôt à l'influence qu'ils ont sur leur environnement.
On peut par exemple observer des étoiles en orbite autour d'un trou noir. Cela peut être un ancien couple d'étoile dont l'une d'elle s'est transformé en trou noir, ou alors cela peut être les étoiles qui peuplent le centre d'une galaxie et qui orbite autour de son trou noir central. La preuve la plus visuelle de l'existence des trous noirs réside d'ailleurs dans notre propre galaxie: quand on suit l'évolution de la position des étoiles les plus proches du centre de notre galaxie, on les voit bouger sur une période de quelques années seulement. Seule une masse considérable (près de 4 millions de fois la masse du Soleil) confinée dans un rayon très restreint (15 millions de kilomètres dans le cas de notre galaxie) permet d'expliquer le mouvement de ces étoiles. Même si on ne voit pas le trou noir de notre galaxie, sa présence ne fait presque aucun doute.
Mais ce n'est pas tout. Quand un trou noir attire à lui de la matière, celle-ci tombe sur lui en s'échauffant jusqu'à des millions de degrés avant d'être engloutie à jamais. Si les trous noirs ne brillent pas par eux-mêmes, leur environnement proche est le siège des phénomènes parmi les plus lumineux de l'univers.
Quand un trou noir super-massif engloutit des quantités importantes de matière, il peut illuminer le centre d'une galaxie au point de surpasser son éclat et d'être visible sous la forme d'une source lumineuse quasi ponctuelle: la galaxie est alors appelée quasar, et visible à des distances considérables.

Comment voir la trace de l'invisible?

L'instrument GRAVITY, interféromètre fruit d'une collaboration internationale à laquelle participent des chercheurs du Laboratoire d'Études Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (LESIA), sera bientôt installé sur le Very Large Telescope, au Chili, et aura la tâche de mesurer avec une grande précision tous les mouvements de matière visible autour du trou noir central de notre galaxie.
En quelques années, il pourra ainsi déterminer avec une bien plus grande précision qu'aujourd'hui l'orbite des étoiles proches du trou noir supposé et par suite les caractéristiques de cet objet.
Il pourra aussi nous renseigner si les lois de la gravitation qui règnent dans son voisinage, en champ très fort, correspondent bien à ce que nos connaissances nous laissent penser, et nous révélera les caractéristiques de la matière peu de temps avant d'être engloutie par un trou noir.

Sentez-vous la vibration de l’Univers?

Il arrive que deux trous noirs entrent en collision. Ils vont alors fusionner pour former un trou noir de masse plus importante. Un tel phénomène est responsable des plus formidables libérations d'énergie de tout l'univers: pendant la fraction de seconde où deux trous noirs stellaires fusionnent, ou pendant quelques minutes s'il s'agit de trous noirs super-massifs, l'énergie libérée par la collision est supérieure à toute celle rayonnée pendant la même durée par l'ensemble des étoiles de l'univers observable! Pourtant, ce phénomène reste presque indétectable, car l'énergie est dissipée lors de cette fusion sous la forme de déformations de l'espace lui-même, appelées ondes gravitationnelles.
Pour détecter ces fusions, il est indispensable d'aller dans l'espace. Avec les trois satellites du projet européen eLISA, situés à environ un million de kilomètres les uns des autres et équipés de laser puissants, on va suivre minutieusement l'évolution de la distance qui les sépare. Au passage d'une onde gravitationnelle, leur distance oscillera très légèrement, d'à peine un milliardième de millimètre, ce que les instruments embarqués sauront mettre en évidence. L’Institut d'Astrophysique de Paris (IAP) est impliqué pour la modélisation des ondes gravitationnelles, le Laboratoire Univers et Théories (LUTh) pour la prédiction de la croissance des trous noirs supermassifs par fusions successives, le laboratoire AstroParticules et Cosmologie (APC) pour l'instrumentation du projet lui-même.