Une gravité qui piège la lumière

Un trou noir se forme lorsqu'une quantité de matière suffisante est comprimée dans un volume assez petit pour que sa gravité dépasse toute force capable de s'y opposer. Autour de lui s'étend l'horizon des événements, une frontière sphérique invisible qui ne délimite aucune surface physique mais marque le point de non-retour : en deçà, même la lumière, qui voyage pourtant à la vitesse maximale autorisée par l'univers, ne dispose plus d'une vitesse suffisante pour s'échapper.

Ce qui se trouve à l'intérieur de l'horizon reste, par définition, inaccessible à l'observation directe. Les équations de la relativité générale d'Einstein prédisent une singularité en son centre, un point où la densité deviendrait infinie — mais la plupart des physiciens considèrent cette prédiction comme le signe que la théorie elle-même cesse d'être valable à cette échelle, plutôt qu'une description littérale de la réalité.

Trous noirs stellaires et supermassifs

Les trous noirs stellaires, les plus courants, se forment lors de l'effondrement du cœur d'une étoile massive en fin de vie, après l'épuisement de son carburant nucléaire et l'explosion en supernova de ses couches externes. Ils pèsent typiquement entre quelques masses solaires et quelques dizaines de masses solaires.

À l'autre extrême, les trous noirs supermassifs, dont la masse atteint des millions voire des milliards de fois celle du Soleil, se nichent au centre de la quasi-totalité des grandes galaxies — y compris la nôtre. Leur origine exacte reste débattue : fusion progressive de trous noirs plus petits, effondrement direct d'immenses nuages de gaz primordial, ou une combinaison des deux selon les cas.

Sagittarius A*, le trou noir de la Voie lactée

Au centre de notre propre galaxie réside Sagittarius A*, un trou noir supermassif d'environ 4 millions de masses solaires. Sa présence a été déduite dès les années 1990 en suivant sur plusieurs décennies les orbites d'étoiles tournant à très grande vitesse autour d'un point invisible — un travail qui a valu le prix Nobel de physique 2020 à Reinhard Genzel et Andrea Ghez.

En mai 2022, la collaboration Event Horizon Telescope a publié la toute première image directe de Sagittarius A*, obtenue en combinant les données de huit radiotélescopes répartis sur toute la planète pour former, en pratique, un télescope virtuel de la taille de la Terre. L'image montre un anneau lumineux entourant une région sombre centrale — la silhouette de l'horizon des événements projetée sur la matière brûlante qui l'entoure.

La première image d'un trou noir

Trois ans plus tôt, en avril 2019, la même collaboration avait déjà fait sensation en publiant la première image jamais obtenue d'un trou noir : celui, bien plus massif, situé au centre de la galaxie M87, à 55 millions d'années-lumière de la Terre, pesant environ 6,5 milliards de masses solaires. Contrairement à Sagittarius A*, relativement discret, celui de M87 alimente un puissant jet de matière qui s'étend sur des milliers d'années-lumière, visible depuis longtemps par les télescopes optiques classiques.

Ce que ces images révèlent n'est pas le trou noir lui-même — par définition invisible — mais l'anneau de photons, la lumière émise par la matière surchauffée en orbite juste à l'extérieur de l'horizon, courbée par la gravité extrême au point de dessiner un halo caractéristique tout autour de l'ombre centrale.

Bien avant que l'Event Horizon Telescope ne parvienne à photographier son ombre en 2019, le trou noir de M87 s'était déjà trahi à plus grande échelle : ce jet de plasma bleuté, visible ici s'échappant du cœur lumineux de la galaxie, s'étend sur environ 3 000 années-lumière et voyage à une vitesse proche de celle de la lumière. Il est produit par la matière qui, plutôt que de tomber directement dans le trou noir, est canalisée et éjectée le long de son axe de rotation par d'intenses champs magnétiques — un mécanisme encore étudié en détail, mais capable de projeter de la matière sur des distances mille fois supérieures à la taille de l'horizon des événements lui-même.

Ce jet a un effet mesurable sur son environnement : les astronomes ont observé que des étoiles situées le long de sa trajectoire ont une probabilité anormalement élevée d'entrer en éruption sous forme de novae, sans que ces étoiles soient directement happées par le jet — une interaction encore mal comprise entre le rayonnement intense du jet et la matière environnante, révélée précisément par ce type d'observation Hubble à haute résolution.

Ondes gravitationnelles : entendre les collisions

Depuis 2015, les détecteurs LIGO et Virgo captent directement les ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs — des ondulations infinitésimales de l'espace-temps lui-même, prédites par Einstein un siècle plus tôt mais jamais observées directement jusque-là. Chaque fusion détectée confirme un peu plus l'existence de trous noirs de masses intermédiaires, difficiles à repérer par les méthodes optiques classiques, et ouvre une toute nouvelle façon d'observer l'univers, complémentaire à la lumière.