Ils trônent au centre de chaque Galaxie. 

Imposants et mystérieux, ces objets engloutissent tout ce qui approche un peu trop près de leur champ gravitationnel. Même la lumière et sa vitesse de 300 000 km/s ne parvient pas à leur échapper. 

En 2020 l’étude des trous noirs et de leur interaction avec la matière est au centre des recherches en astrophysique et en physique théorique. 

L’année a été marquée par le prix Nobel de physique attribué  à des spécialistes de la discipline et par des avancées majeures.

Nelson Christensen – Physicien 

«Nous avons deux sens pour observer l’univers: avec les ondes électromagnétiques, nous pouvons voir l’univers. Et avec les ondes gravitationnelles, nous pouvons entendre l’univers. Et avec ça nous avons observé les trous noirs. » 

Il existe trois catégories de trous noirs : les trous noirs stellaires, de petite masse, les trous noirs intermédiaires et les trous noirs supermassifs. Ces derniers peuvent peser plusieurs milliards de masse solaire.

En septembre 2020, Nelson Christensen et les équipes du laboratoire Artémis à Nice, en collaboration avec plus d’un millier d’auteurs ont publié un article fascinant... Pour la première fois, ils ont pu observer la naissance d’un trou noir « intermédiaire ». 

NC : « Le système est comme une étoile binaire et il y a une orbite entre les deux trous noirs. Mais avec l’accélération du trou noir, il y a création d’ondes gravitationnelles et il y a une énergie associée avec les ondes gravitationnelles. L’énergie du système va s’échapper, le système va perdre de l’énergie et les deux trous noirs en orbite vont s’approcher rapidement et finalement il y a une 

fusion entre les deux. Le trou noir a été créé par les autres trous noirs qui ont fusionné ensemble.» 

Deux trous noirs de petite masse qui fusionnent pour en créer un plus lourd encore. 

En fusionnant, ils déforment l’espace-temps et émettent une onde, appelée « onde gravitationnelle ». 

Les équipes d’Artémis ont pu détecter ce phénomène grâce à VIRGO et LIGO. des interféromètres et détecteurs ultra-sensibles situés en Italie et aux Etats-Unis. Deux bras longs de plusieurs kilomètres équipés de lasers et de miroirs, capable de détecter des signaux extrêmement faibles venus de l’espace... 

NC : « C’est comme une cloche. Quand on tape sur une cloche, il y a un type de son. Avec la théorie de la relativité générale, on peut avoir une idée de tous les types de signaux. On peut être très sûrs que le système est un trou noir parce qu’il n’y a pas d’autres choses qui peuvent créer un signal comme ça. C’est vraiment une association entre nos données et la théorie de la relativité générale d’Einstein ». 

Pourquoi observer des trous noirs plus massif est-il aujourd’hui si important ? 

On l’a dit, il existe un trou noir supermassif au centre de chaque galaxie. 

Françoise Combes, Astrophysicienne a reçu la médaille d’or du CNRS en 2020. En étudiant ces trous noirs, elle s’est aperçue qu’ils avaient un rôle régulateur dans la galaxie. 

Françoise Combes – Astrophysicienne : 

« Si on ne met pas les trous noirs dans la simulation, la galaxie s’emballe, forme beaucoup d’étoiles à partir du gaz qui est disponible. Et donc on peut former des galaxies 100 fois plus massives que les galaxies qu’on voit aujourd’hui. On s’est aperçu que les galaxies qu’on formait en ordinateur n’existent pas en réalité. On a une masse limite pour la galaxie qui est bien inférieure à la masse limite des galaxies simulées. Donc il a bien fallu qu’on trouve quelque chose qui stoppe la formation d’étoile et qui rejette le gaz en dehors des galaxies. » 

Au centre de la galaxie, un bulbe composé d’étoile se forme au tour du trou noir. Les astrophysiciens ont découvert que la masse de ce dernier était proportionnelle à la masse du bulbe d’étoile. 

En fait, le trou noir avale le surplus de gaz au centre de la galaxie. 

FC : « On pense qu’il y a des effets de régulation. Que le trou noir par son énergie énorme va réguler la formation des étoiles dans une galaxie, et donc va stopper la formation d’étoile lorsque la galaxie s’emballe et forme beaucoup trop d’étoiles donc on va limiter la masse. C’est pourquoi on a ce rapport de masse entre bulbe et bulbe des galaxies. » 

Les trous noirs supermassifs équilibrent les galaxies. Leur étude pourrait aider les physiciens à mieux comprendre comment celles-ci se forment et évoluent. 

Les prochaines années verront aussi de nouvelles générations de détécteurs, de satellites qui permettront d’étudier avec précision les trous noirs, les ondes gravitationnelles et les objets stellaires. 

Le télescope terrestre Einstein, qui devrait être opérationnel vers 2035, aura par exemple une sensibilité 10 fois supérieure à Virgo et Ligo. De quoi plonger un peu plus profondément dans le mystère des trous noirs. 

Fin