Observation et détection des trous noirs - Définition

Introduction

La détection des trous noirs repose sur des indices astronomiques. Au cours des deux dernières décennies, les astronomes et physiciens du monde entier ont cherché à déduire leur présence, à défaut de prouver leur existence par observation directe. Quatre types de procédés ont été utilisés, soit quatre indices : à chaque fois, il s'agit de détecter l'influence du trou noir très massif et dense sur son environnement proche, à l'échelle astronomique.

Les observations concernent deux types de trous noirs : ceux ayant la masse d'une étoile typique (4 à 15 masses solaires), et ceux ayant la masse d'une galaxie typique (les trous noirs supermassifs). Les indices ne sont pas non plus des observations directes au sens strict du terme, mais découlent du comportement des étoiles et d'autres objets existants à proximité du trou noir soupçonné. Il n'a pas été observé de trous noirs du troisième type, les trous noirs primordiaux.

Accrétion et rayonnements

Le trou noir est souvent entouré de matière diverse, à savoir en majorité des corps stellaires plus ou moins importants, de l'étoile aux nuages gazeux, parfois des débris d'astéroïdes... Dans le cas d'un trou noir stellaire en rotation (dit de Kerr), la matière peut provenir d'une étoile compagne qui, attirée par la gravité du trou noir, produit autour de celui-ci un disque d'accrétion (ce qui provoque un très important rayonnement X). La matière qui tombe vers le trou noir décrit alors un mouvement en spirale accéléré, elle s'enroule autour de la singularité qui l'attire. Si la matière n'est pas engloutie, parce que trop éloignée ou animé d'une vitesse suffisante pour échapper à l'attraction du trou noir, elle est tout au moins déviée. C'est ce mouvement elliptique bien particulier qui peut être détecté, le plus simple étant alors de considérer soit la lumière visible qui parvient jusqu'à nous, soit les rayonnements X ou infra-rouge.

Lentille gravitationnelle

Les scientifiques expliquent aujourd'hui grâce au trou noir (parfois grâce aux quasars) l'effet de lentille gravitationnelle. Les rayons lumineux, qui se propagent en ligne droite à travers l'espace-temps, s'incurvent de façon notable en passant à proximité d'un trou noir. La lumière est donc déviée en direction de la source gravitationnelle, et elle le fait de manière détectable par nos télescopes. Par exemple, si une galaxie semble anormalement grande compte-tenu de ses caractéristiques (distance, taille...), on peut supposer qu'il existe un trou noir entre elle et la Terre, qui agit comme une lentille en déviant les rayons lumineux (comme le ferait une lentille de verre classique). Aux distances astronomiques considérées, la déviation donne naissance à une illusion de grossissement caractéristique, parfois à un dédoublement de l'image perçue.

Effet de lentille gravitationnelle

Rayonnement X

La détection du disque d'accrétion, constitué de résidus et de matière stellaires en grande partie, provient d'une perte d'énergie. En effet, les différents constituants du disque entourant le trou noir sont inévitablement amenés à s'entrechoquer dans leur course vers l'horizon. Lors de ces collisions (qui seraient maximales vers 200-250 km du rayon de Schwarzschild), il y a transfert d'énergie : les particules diverses perdent de l'énergie au profit du milieu, tout en décrivant une trajectoire qui devient de plus en plus spiralée.

Cette perte d'énergie gravitationnelle de l'ensemble du disque d'accrétion est convertie pour une très large part en transfert thermique. Ce phénomène est amplifié par la compression de plus en plus forte qui s'exerce sur la matière, à mesure qu'elle se rapproche du centre du trou noir (et par certains effets de marées complexes). Tout ceci provoque un rayonnement X intense, détectable par les télescopes et satellites modernes (le plus connu est le télescope américain Chandra).

On pense avoir trouvé des trous noirs de 10 à 100 milliards masses solaires au sein de noyaux galactiques actifs (AGN), en utilisant la radioastronomie et l'astronomie rayons X. L'idée selon laquelle il existerait de tels trous noirs supermassifs au centre de la plupart des galaxies, y compris au centre de notre propre Voie lactée, est régulièrement confortée par des observations et des mesures expérimentales.Ainsi, Sagittarius A est maintenant considéré comme le candidat le plus plausible pour l'emplacement d'un trou noir supermassif au centre de la Voie lactée.

Jet de plasma

Dans le cas des trous noirs de Kerr en rotation, la matière avalée tournant en leurs centres permettrait de développer un champ magnétique élevé. Des particules de très haute énergie pourraient être émises près du trou noir, par la matière en train de s'y effondrer, ceci provoquant des jets émis le long de l'axe de rotation du trou noir, dans la direction des pôles Nord et Sud. Dans le cas des trous noirs supermassifs, ayant une masse de plusieurs milliards de fois celle du Soleil, d'immense jets de plasma existeraient. Et en effet, des observations sont venues confirmer ces hypothèses.

Jet de Plasma dans la galaxie M87