Les trous noirs peuvent vibrer en émettant des ondes gravitationnelles avec un spectre caractéristique comme des atomes émettant de la lumière à la suite d'un choc. Ce spectre des trous noirs est caractérisé par ce que l'on appelle des modes quasi-normaux, que l'on sait calculer. On observe de mieux en mieux et de plus en plus des indices de leur présence dans les signaux détectés par Ligo et Virgo comme le montre un article récent.
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On pense parfois à tort que les trous noirs sont définis par l'existence en leur cœur d'une singularité de l'espace-temps, que l'on peut considérer grossièrement comme un point où la courbure de l'espace-temps et la densité de la matière deviennent infinies. En fait, ce qui définit rigoureusement un trou noir, c'est l'existence d'un horizon des événements, c'est-à-dire d'une surface délimitant une région fermée qui se comporte comme une membrane que l'on ne peut traverser que dans un seul sens. Pour en sortir, il faudrait pouvoir dépasser la vitesse de la lumière.
Bien des conclusions sur l'existence et les propriétés des trous noirs pourraient changer avec un traitement quantique de la théorie de la gravitation et pas simplement en utilisant uniquement les équationséquations classiques de la théorie de la relativité généralerelativité générale d'EinsteinEinstein. On pourrait aussi aboutir à des conclusions différentes s'il s'avérait que la bonne théorie relativiste de la gravitation n'est pas celle d'Einstein, qui serait une approximation d'une théorie différente comme la théorie de NewtonNewton l'est par rapport à la relativité générale, par exemple la théorie de la relativité intriquée.
Les trous noirs n'ont pas de « cheveux »
Il est toutefois vrai que la théorie mathématique des trous noirs basée sur la théorie de la gravitation d'Einstein implique que les trous noirs doivent être décrits exactement par des espaces-temps rigoureusement caractérisés par la massemasse et le moment cinétiquemoment cinétique d'un trou noir de Kerrtrou noir de Kerr en rotation, et que ces trous noirs contiennent des singularités.
Cette même théorie mathématique insiste bien sur le fait que l'espace-temps des trous noirs doit être totalement décrit par ces deux nombres, ce qui n'est pas le cas pour un corps céleste comme la Terre ou le SoleilSoleil qui ont des champs de gravitation complexes et décrits par plusieurs paramètres (techniquement, il faut faire intervenir ce que l'on appelle des développements multipolaires). Si on veut une analogieanalogie, l'espace-temps d'un trou noir est « lisse » comme le serait une sphère parfaite, alors que celui de la Terre est une sphère profondément cabossée et donc il faut disposer de beaucoup d'informations pour en décrire la forme.
Le fait que les trous noirs de la relativité générale soient nécessairement lisses a été exprimé sous la forme d'un théorèmethéorème que l'on a appelé le théorème de la calvitie (no hair theorem, en anglais).
Une vidéo de présentation de Virgo et de la chasse aux ondes gravitationnelles. © CNRS
Toutefois, l'horizon des trous noirs peut vibrer, notamment lorsqu'ils entrent en collision avec un autre corps, astéroïdeastéroïde, petite planètepetite planète ou bien sûr un autre trou noir. Il se produit alors une émissionémission d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles avec un spectrespectre qui n'est pas sans rappeler celui du son émis par une cloche que l'on frappe et qui va vibrer avec des oscillations qui vont s'amortir au fur et à mesure que le son emporte l'énergieénergie des vibrationsvibrations de la cloche. Comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, dans les deux cas on parle de modes quasi-normaux pour décrire le spectre des deux types d'objets.
Dans le cas des trous noirs, ces modes quasi-normaux sont rigoureusement déterminés et calculables, et ils doivent respecter le théorème de la calvitiecalvitie en ne dépendant pour leurs valeurs que de la masse et du moment cinétique de rotation du trou noir qui vibre.
Un test des théories de la gravitation
En compagnie de l'astrophysicienastrophysicien OlivierOlivier Minazzoli, ancien membre de la collaboration VirgoVirgo détectant les ondes gravitationnelles des collisions de trous noirs stellairestrous noirs stellaires et d'étoiles à neutronsétoiles à neutrons, travaillant à l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA), nous avions parlé dans le précédent article ci-dessous du fait que les modes quasi-normaux commençaient à pointer leur neznez dans les signaux captés par les détecteurs comme LigoLigo aux États-Unis et Virgo en Europe.
Or, ces modes quasi-normaux sont une attestation de la présence des vibrations de l'horizon des trous noirs, donc une preuve convaincante de leur existence et aussi un test de la théorie de la gravitation décrivant vraiment ces objets.
On est donc particulièrement intéressé aujourd'hui par une publication dans Physical Review Letters, que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv et qui provient d'une équipe internationale de chercheurs, dont le professeur Badri Krishnan de l'université Radboud. Un communiqué de l'université indique que ces astrophysiciens auraient vérifié le théorème de la calvitie en détectant un nouveau mode quasi-normal, précisément prédit par la théorie standard des trous noirs.
La découverte a été faite en analysant d'une autre façon une célèbre source d'ondes gravitationnelles détectée par Ligo et Virgo en mai 2019 : GW190521. Et comme l'explique aussi le communiqué, ce fut une surprise pour les chercheurs qui pensaient qu'il faudrait attendre la création de détecteurs d'ondes plus sensibles, à l'horizon du milieu des années 2030 pour voir ce nouveau mode.
Badri Krishnan commente cette découverte inattendue en ces termes : « Il y a plus de 20 ans, nous avions proposé de telles observations comme moyen de tester la nature des trous noirs. À l'époque, nous ne pensions pas que les détecteurs Ligo et Virgo actuels seraient capables d'observer plusieurs modes. Ces résultats sont donc particulièrement gratifiants pour moi. Jusqu'à présent, nous n'avons trouvé aucun écart par rapport aux prédictions de la relativité générale et Einstein continue d'avoir raison. Notre analyse montre que les fréquencesfréquences et les temps d'amortissement des modes quasi-normaux sont cohérents avec les prédictions de la relativité générale. »
Un test de la théorie des étoiles de Proca
Nous avons à nouveau demandé à Olivier Minazzoli ce qu'il pensait de cette nouvelle avancée, voici ses commentaires :
« C'est très enthousiasmant, on éprouve toujours plus la nature de l'objet qui résulte de la fusionfusion des astresastres qui a généré les ondes gravitationnelles observées. Non seulement tout semble toujours parfaitement en accord avec ce qui est attendu de la vibration d'un trou noir de la relativité générale, mais les observations sont en plus clairement en désaccord avec une autre hypothèse suggérée pour cet événement, selon laquelle ces ondes gravitationnelles proviendraient de la fusion d'étoiles exotiquesexotiques, appelées étoiles de Proca, entièrement composées d'un certain type de matière noirematière noire dans le genre de celle proposée avec la théorie des photons noirs. La physiquephysique standard l'emporte une nouvelle fois. »
Trous noirs : enfin la preuve de leur existence grâce aux ondes gravitationnelles ?
Article de Laurent SaccoLaurent Sacco, publié le 18 septembre 2019
Les trous noirs peuvent vibrer en émettant des ondes gravitationnelles avec un spectre caractéristique comme des atomesatomes émettant de la lumière à la suite d'un choc. Ce spectre des trous noirs est caractérisé par ce que l'on appelle des modes quasi-normaux et que l'on sait calculer. Ces modes commencent à pointer le bout de leur nez dans les signaux détectés par Ligo, ce qui ouvre la porteporte à l'obtention prochaine d'une preuve très convaincante de l'existence des trous noirs comme nous l'explique Olivier Minazzoli, membre de la collaboration Virgo et travaillant à l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA).
Le Britannique John Michell (1783) et le Français Pierre-Simon de LaplacePierre-Simon de Laplace (1796) ont pressenti le concept de trou noir dès la fin du XVIIIe siècle en réfléchissant à la vitesse de libération limite d'un corps d'une masse et d'un rayon donnés. La question était naturelle car, à cette époque, c'est le modèle corpusculaire qui dominait la conception de la lumière et l'on suspectait également que la matière était faite de particules. Si la vitesse de libération d'un tel corps dépassait la vitesse de la lumière, il devait donc être nécessairement et parfaitement noir car aucun rayonnement ne pouvait s'en échapper.
L'idée ne reprendra vie qu'au cours de la seconde moitié du XXe siècle, avec la découverte de la théorie de la relativité générale et celle de la fameuse solution de Schwarzschild dont la nature physique, aussi bien que la structure mathématique, n'ont commencé à être comprises qu'au cours des années 1950 et 1960. L'avènement de la théorie ondulatoire moderne de la lumière, suite aux travaux de Young, Fresnel et bien sûr, Maxwell au XIXe siècle, n'impliquait en effet aucune action de la gravitation sur la lumière, contrairement aux particules de lumière de Newton décrivant des trajectoires sous forme de rayons lumineux selon des lois analogues à celles des particules matérielles.
Comme Einstein et d'autres, le physicienphysicien John Wheeler était initialement sceptique quant à l'existence de ce qu'il a lui-même appelé un trou noir en 1967 et qui était impliqué par la solution de Schwarzschild. Il changea d'avis au début des années 1960 et avec ses collaborateurs, il se joignit à l'école britannique menée par un ancien thésard de Paul DiracPaul Dirac, Denis Sciama, et ses élèves (Roger PenroseRoger Penrose et Stephen Hawking), ainsi qu'à l'école russe menée par Yakov Zeldovitch et Igor Novikov, pour explorer la théorie des trous noirs pendant la période allant de 1963 à 1973 environ, période appelée depuis l'âge d'or de la théorie des trous noirs. On peut la faire débuter avec la découverte de la solution de Kerr décrivant un trou noir en rotation et la faire finir avec la découverte du rayonnement des trous noirs par Hawking.
Des trous noirs qui vibrent quand ils entrent en collision
Les physiciens et mathématiciensmathématiciens relativistes vont alors définir les trous noirs uniquement comme des objets occupant une région fermée de l'espace-temps dont rien ne peut sortir du fait du caractère fini de la vitesse de la lumière : l'horizon des événements -- c'est la présence d'un tel horizon, et rien d'autre, qui définit un trou noir, pas même la présence d'une singularité avec densité et courbure infinie de l'espace-temps en son centre qui est, de plus, douteuse à cause des effets quantiques. Ils vont montrer qu'il n'existe alors qu'une famille de solutions nécessairement rigoureusement exactes des équations d'Einstein décrivant un trou noir. Cette famille ne dépend uniquement que de la masse, du moment cinétique et, éventuellement, des charges électriques, voire magnétiques des particules absorbées et de rien d'autre. C'est le théorème de l'unicité des trous noirs, plus souvent connu comme le théorème de la calvitie pour les trous noirs, en anglais le célèbre « no-hair theorem ».
Concrètement, dans le royaume de l'astrophysiqueastrophysique où les étoiles tournent toutes et où l'on s'attend naturellement à la formation de trous noirs, les plus simples sont sans rotation et possèdent uniquement une masse, les trous noirs de Schwarzschild ; et les plus réalistes sont aussi en rotation, les trous noirs de Kerr.
En théorie, ils ne gardent pas la mémoire des caractéristiques différentes d'objets de même masse et de même moment cinétique qui tomberaient dans ces régions particulières de l'espace-temps. Ils oublient en particulier des nombres quantiquesnombres quantiques normalement conservés associés aux baryonsbaryons et aux leptonsleptons -- ce qui joue peut-être un rôle encore mystérieux dans la solution de l’énigme de l’absence d’antimatière en cosmologiecosmologie.
La surface de l'horizon des événements d'un trou noir, de Schwarzschild ou de Kerr, est parfaitement lisse, sphérique (d'où le lien avec le terme de calvitie) mais elle se déforme temporairement en devenant bosselée lorsqu'un trou noir absorbe un objet, par exemple un astéroïde, ou lors d'une collision avec un autre trou noir.
Des modes quasi-normaux caractéristiques des trous noirs
Cette dernière situation est très intéressante car la collision et la fusion de deux trous noirs en forment un autre. Ce trou noir nouvellement formé, là non plus, n'a pas un horizon régulier des événements. Les équations d'Einstein sont alors formelles, cela ne peut durer et, très rapidement, la surface de l'horizon vibre comme le ferait une cloche sous l'effet d'un coup. Il existe alors, ce que l'on appelle d'ailleurs dans les deux cas, des modes quasi-normaux pour ces vibrations qui vont s'amortir, sous l'effet de l'émission d'ondes gravitationnelles dans les premiers cas, et avec des émissions sonores pour une cloche. L'effet d'amortissement va faire prendre au trou noir, après une fusion, la forme exacte décrite par la fameuse métrique de Kerr pour un trou noir sans charges en rotation.
Comme ces modes quasi-normaux ont des fréquences déterminées par la théorie des trous noirs, fixés par la masse et le spinspin du trou noir final, faire leur découverte dans le spectre des ondes gravitationnelles serait une preuve très convaincante de l'existence d'un horizon des événements et donc, de l'existence des trous noirs... mais à condition que les fréquences trouvées (d'autres astres compacts avec des modes quasi-normaux sans horizon des événements sont possibles) soient précisément celles déduites des solutions perturbées décrivant des trous noirs.
Rappelons pour la suite de cet article que les équations de la théorie de la relativité générale sont non-linaires. Elles sont donc beaucoup plus difficiles à résoudre que dans le cas des équations linéaires et nécessitent parfois l'usage de simulations numériquessimulations numériques sur ordinateurordinateur. Ce n'est pas un cas unique, les équations de Navier-Stokes en mécanique des fluides, non-linéaires elles aussi, peuvent par exemple être utilisées analytiquement pour décrire le mouvementmouvement de petites vaguesvagues à la surface de l'eau. Peut alors s'appliquer ce que l'on appelle la méthode des perturbations, méthode que l'on a aussi appliquée en régime linéaire pour décrire la façon dont les trous noirs se comportent lorsqu'ils subissent des effets de faibles intensités. Mais dans d'autres situations, l'usage de l'ordinateur devient nécessaire.
L'étude des modes quasi-normaux est un sujet de recherche important car, comme le rappelait Futura dans le précédent article publié ci-dessous avec une interview de Jean-Pierre LuminetJean-Pierre Luminet, des alternatives aux trous noirs, comme les gravastars, ont été proposées pour rendre compte des objets observés en astrophysique, comme Sgr A* ou M 87*, qui semblent jusqu'à un certain point se comporter comme des trous noirs.
C'est précisément, en partie, pour tenter de mettre fin au débat quant à l'existence réelle des trous noirs que les projets de détecteurs d'ondes gravitationnelles que sont Ligo, Virgo et eLisa ont été conçus et lancés.
La découverte de la première source d'ondes gravitationnelles qui a frappé la Terre le 14 septembre 2015 a donc fait grand bruit. GW150914 correspondait à une collision suivie d'une fusion de deux trous noirs stellaires ayant dégagé en moins d'une seconde 50 fois plus d'énergie que toutes les étoiles de l'universunivers observable, fût-elle sous forme électromagnétique, elle aurait paru dans notre ciel plus lumineuse que la pleine Lunepleine Lune bien que cette source soit distante de 1,3 milliard d'années-lumièreannées-lumière environ.
Depuis lors, plusieurs dizaines de sources d'ondes gravitationnelles avaient été identifiées et les physiciens avaient bon espoir qu'avec l'essor de l'astronomie gravitationnelle et la montée en sensibilité des instruments, on finirait par identifier, puis mesurer de plus en plus finement les modes quasi-normaux des trous noirs.
Une bombe potentielle vient justement d'éclater à ce sujet et c'est une surprise puisqu'elle concerne une nouvelle analyse des données enregistrées concernant GW150914, le signal qui est, à ce jour, le plus clair avec un rapport signal/bruit étant le plus élevé comme disent les astrophysiciens dans leur jargon.
Deux articles au sujet des modes quasi-normaux probablement détectés ont été déposés sur arXiv, cosignés par Matthew Giesler, Maximiliano Isi, Mark Scheel et le célèbre astrophysicien relativiste Saul Teukolsky, bien connu pour ses simulations numériques sur ordinateurs concernant la physique des trous noirs et sa découverte technique d'une méthode de séparationséparation des variables pour résoudre analytiquement des équations décrivant des perturbations de la métrique de l'espace-temps des trous noirs de Kerr.
Pour en savoir davantage, nous avons demandé une fois de plus au physicien Olivier Minazzoli, membre de la collaboration Virgo et travaillant à l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA), de nous donner quelques explications supplémentaires.
Futura-sciences : la première détection de l'émission d'ondes gravitationnelles par Ligo a été réalisée il y a maintenant 4 ans, le 14 septembre 2015 précisément. Son annonce a été faite le 11 février 2016 par les laboratoires Ligo et Virgo dont les équipes ont conjointement analysé le signal détecté. Peut-on vraiment dire maintenant que l'on commence à trouver les modes quasi-normaux tant recherchés ?
Olivier Minazzoli : on ne peut pas encore parler de découverte des modes quasi-normaux à proprement parler. Les indices vont dans le bon sens, mais ne sont pas encore suffisamment fiables. Il va falloir probablement attendre de nouvelles détections avec un meilleur rapport signal à bruitrapport signal à bruit pour pouvoir réellement parler de détection. D'ailleurs, des premiers indices de la présence de ces modes avaient déjà été donnés par la collaboration Ligo-Virgo. Mais ce qui est nouveau avec ces nouvelles études, est la mise au jour de la présence potentielle de modes au-delà du mode fondamental.
Futura-sciences : comment ces études ont-elles mis cela en évidence?
Olivier Minazzoli : il y avait des incertitudes théoriques sur la façon d'analyser la forme du signal accompagnant la fusion de deux trous noirs. Cette fusion est suivie d'une phase où le trou noir nouvellement formé a une surface de l'horizon des événements qui vibre. Ces vibrations s'amortissent rapidement du fait de l'émission d'ondes gravitationnelles.
Les vibrations d'un trou noir sont décrites par une série de fréquences fondamentales avec des temps d'amortissement différents que l'on appelle des modes quasi-normaux. L'ensemble de ces fréquences particulières, autrement appelées le spectre, caractérise un trou noir, un peu comme le ferait celui associé à une cloche que l'on frappe et qui vibre en réponse.
Dans le cas d'un instrument de musique, on peut trouver une série de fréquences qui sont des multiples entiers des fréquences fondamentales qui caractérisent cet instrument. On les qualifie d'harmoniques en français, et d'« overtones » en anglais. Dans le spectre d'un trou noir dans sa phase de vibration (« ringdown » comme disent les anglo-saxons), il existe aussi des sortes d'harmoniques analogues, également appelées « overtones ». Beaucoup pensait jusqu'alors que leurs contributions étaient négligeables à la forme du signal.
Une complication supplémentaire était qu'il existait une incertitude sur le moment précis du début de cette phase de vibration. En effet, les équations de la théorie de la relativité générale sont non-linaires, et il était donc raisonnable de penser que des non-linéarités pouvaient impacter le signal proche de son maximum. Or, ces non-linéarités en général ne peuvent être décrites que par des simulations numériques. Tout donc portait à croire que le signal proche de son maximum ne pouvait pas être bien décrit par une simple vibration amortie, c'est à dire le fameux ringdown.
L'hypothèse de travail qui était adoptée jusqu'à présent était donc que l'on ne pouvait pas dire grand chose autour du maximum du signal, lors de la fusion en cours de deux trous noirs (« merging » en anglais), et qu'il fallait imposer aux analyses du ringdown de ne considérer le signal qu'après un certain délai suivant ce maximum. C'est ce que faisait notamment la collaboration Ligo-Virgo, qui mettait en évidence des résultats plus ou moins cohérents en fonction du délai considéré.
Gielser & co. montrent dans leur premier papier qu'en fait, il est possible d'analyser le ringdown depuis le pic du signal, à condition de prendre en compte des modes d'ordres plus élevés : les fameux overtones.
Futura-sciences : c'est donc la prise en compte des overtones par Matthew Giesler, Maximiliano Isi, Mark Scheel et Saul Teukolsky qui a tout changé ?
Olivier Minazzoli : en effet ! En se basant sur des résultats d'expériences avec des simulations numériques, pour lesquelles on connaissait donc les masses et les moments cinétiques des trous noirs avant fusion et celles du trou noir final après fusion, ils ont montré que la prise en compte des overtones, de façon surprenante, permettait d'étendre le régime d'applicationapplication des méthodes de perturbation linéaire décrivant la phase de vibration jusqu'au pic des émissions (au moment de la fusion), et d'en décrire la forme.
La contribution de ces overtones n'est donc pas du tout négligeable. Mieux, ils ont montré que leur prise en compte permettait même d'améliorer l'analyse du signal produit par le ringdown, permettant d'en tirer une meilleure estimation des valeurs de la masse et du moment cinétique du trou noir final. Dès lors, on pouvait dire que certains des overtones proches des modes quasi-normaux fondamentaux semblaient pouvoir devenir accessibles à la mesure.
Futura-sciences : on est donc passé ensuite de la théorie à la pratique ?
Olivier Minazzoli : exactement, Maximiliano Isi, Matthew Giesler, Mark Scheel et Saul Teukolsky ont donc publié un article dans la revue Physical Review Letters, avec leur collègue Will M. Farr, dans lequel ils exposent les résultats obtenus avec GW150914. Ils pensent avoir mis en évidence la présence potentielle du mode fondamental quasi-normal et d'au moins un de ses overtones, tous deux associés au mode angulaire dominant (ℓ = m = 2) lié à ce que les physiciens appellent dans leur jargon des harmoniques sphériques.
Le résultat n'est encore qu'à 3.6 sigma mais il est remarquable que les modes mesurés conduisent à des estimations de la masse et du moment cinétique du trou noir final qui sont cohérents avec ce que l'on peut déduire notamment de la phase où les trous noirs orbitent l'un autour de l'autre.
Du travail reste encore à faire mais l'hypothèse que l'on est bien en présence de trous noirs de Kerr décrits par les équations de la relativité générale en sort renforcée. C'est de très bon augure pour la suite, avec les détections à venir. Et notamment, pourquoi pas, pour un jour, peut-être, être en mesure de tester certains aspects de gravitation quantiquegravitation quantique, tel que le propose par exemple Aurélien Barrau et ses collègues.
On a testé l'existence des trous noirs ! Les commentaires de Jean-Pierre Luminet
Article de Laurent Sacco publié le 14/06/2017
Difficile d'observer directement l'horizon des évènements d'un trou noir. Alors, des chercheurs ont proposé un test indirect. Leurs résultats viennent d'être publiés. Ils consolident la thèse de l'existence des trous noirs, comme le confirme Jean-Pierre Luminet.
Pour un spécialiste de la relativité générale, la définition d'un trou noir est parfaitement claire et elle ne dépend ni de l'existence d'une singularité ni des équations de la relativité générale. Il s'agit d'une région fermée de l'espace-temps d'où rien ne peut s'échapper une fois entré, pas même la lumière. En plus technique, cette région est coupée du reste de l'univers par un horizon des évènements et elle se comporte comme une membrane ne pouvant être traversée que dans un seul sens, ce qui pose des problèmes avec la mécanique quantiquemécanique quantique.
Il existe des théorèmes montrant que ces régions ne peuvent être décrites que par une seule famille de solutions des équations de la relativité générale, famille qui ne dépend que de quatre paramètres : la masse, le moment cinétique et les charges électriques et magnétiques d'un trou noir.
Ces solutions sont rigoureusement exactes même si elles pourraient n'être que des cas limites, quasiment impossibles à réaliser physiquement dans la nature, comme l'a suggéré il y a quelques années Stephen Hawking pour tenter de résoudre le paradoxe du pare-feupare-feu (firewallfirewall en anglais). Toutefois, pour un astrophysicien relativiste, cela ne change pas grand-chose, car l'essentiel du comportement attendu d'un vrai trou noir est conservé.
L'hypothèse des gravastars
Certains physiciens ont pourtant proposé des alternatives à la théorie des trous noirs, en supposant que ceux observés sont des astres particulièrement compacts mais rigoureusement privés d'un horizon des évènements. L'hypothèse la plus célèbre à ce sujet est celle des gravastars, proposée par deux physiciens américains, Emil Mottola, du Los Alamos National Laboratory, et Pawel Mazur, de l'université de Caroline du Sud. Elle suppose qu'une étoile ne peut pas s'effondrer gravitationnellement jusqu'à devenir un trou noir mais que sa matière se transforme en une sorte de condensat de Bose-Einsteincondensat de Bose-Einstein formant une coquille dont le rayon est supérieur au rayon du trou noir déterminé par la masse de cette étoile.
L'hypothèse est tirée par les cheveux et elle n'est généralement pas prise au sérieux par les physiciens mais toute démarche scientifique saine impose de ne pas tenir pour acquis l'existence d'un horizon des évènements et de chercher des moyens pour tester son existence.
Des étoiles qui traversent un horizon des évènements ou qui heurtent un gravastar ?
Il est très difficile d'observer directement l'horizon des évènements d'un trou noir (même lorsque ce dernier est supermassif) en raison de sa petite taille. Nous devrions tout de même obtenir des informations intéressantes avec le fameux Event Horizon Telescope, dont les données collectées il y a peu sont encore en cours d'analyse. Par ailleurs, un test indirect de l'existence de cet horizon a été proposé il y a plusieurs années déjà. Il a notamment été mis en œuvre par une équipe de chercheurs états-uniens. Or, celle-ci a récemment publié les résultats de ses travaux dans un article déposé sur arXiv.
L'idée à la base de ce test est simple : si de la matière, par exemple du gazgaz arraché à une étoile dans un système binairesystème binaire, tombe sur un trou noir stellaire ou, mieux encore, si une étoile chute en direction d'un trou noir supermassiftrou noir supermassif, elle devrait finir par traverser l'horizon des évènements. Mais, si les trous noirs n'existent pas, la matière devrait entrer violemment en collision avec la surface de l'astre central, comme on sait qu'elle le fait avec les étoiles à neutrons, et l'on devrait donc observer un pic de luminositéluminosité au centre des images d'objets que l'on pense être des trous noirs.
D'après les chercheurs, une étoile tombant, par exemple, sur un gravastar supermassif devrait s'écraser sur sa coquille et sa matière devenant encore plus chaude et plus lumineuse devrait se répartir sur la surface de cette coquille. On devrait observer une brusque émission de lumière durant des mois voire quelques années là où se trouve ce que l'on pense être des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires.
Pour en avoir le cœur net, les astrophysiciens ont donc dépouillé les archives des observations du télescopetélescope de 1,8 m Pan-Starrs (acronyme de Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System), à Hawaï, qui a été utilisé pour faire une campagne d'observation pendant trois ans et demi. L'objectif était d'y trouver des évènements transitoires associés au cœur des galaxiesgalaxies situées sur la voûte céleste de l'hémisphère nordhémisphère nord et dans un rayon de quelques milliards d'années-lumière.
Les chercheurs estimaient que des collisions d'étoiles avec des trous noirs supermassifs (ou ce qui leur ressemble de loin) contenant plus de 100 millions de masses solaires auraient dû se produire dans un tel volumevolume avec un taux conduisant à au moins 10 flashsflashs de lumière et plus s'il n'existait effectivement pas de vrais trous noirs avec un horizon des évènements. Or, aucun évènement de ce genre n'a été observé, ce qui fait dire aux astrophysiciens que l'hypothèse de l'existence d'astres compacts avec un horizon des évènements en sort considérablement renforcée.
Les crêpes stellaires et les preuves de l'existence des trous noirs supermassifs
Toutefois, on sait, et les auteurs de l'étude ne le cachent pas, bien au contraire, que des étoiles peuvent être détruites par des forces de maréeforces de marée au voisinage de certains trous noirs supermassifs. Alors, si Pan-Starrs avait observé des flashs de lumière, aurait-on pu pour autant mettre en doute l'existence des trous noirs ?
Au début des années 1980, Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter ont notamment développé la théorie d'un phénomène associé à ces forces de marée et conduisant à la formation de ce qu'ils ont appelé « des crêpes stellaires ». Dans certains cas, les forces de marée sont si fortes qu'elles déforment l'étoile jusqu'à l'aplatir comme une crêpe, déclenchant des réactions thermonucléaires du fait de la compression, et finissant par la détruire dans une violente explosion pouvant être à l'origine de certains sursautssursauts gamma. On a depuis observé plusieurs exemples de ce phénomène. Que faut-il donc penser des observations de Pan-Starrs ? Nous avons posé la question à Jean-Pierre Luminet qui nous a fait les réponses et commentaires suivants :
« Le rayon de marée à l'intérieur duquel une étoile va être brisée dépend de la masse du trou noir et du type d'étoile. Pour une étoile ordinaire (type solaire), il est plus grand que l'horizon des évènements seulement pour une masse de trou noir inférieure à la limite dite de Hills, qui est de 107,5 masses solaires, justement la limite de masse inférieure considérée par mes collègues états-uniens. Au-dessus, les ruptures stellaires (pour les étoiles ordinaires, pas les géantes rougesgéantes rouges) se font à l'intérieur du trou noir et il n'y a pas de flashs observables.
“L'absence de flashs lumineux [...] exclut l'alternative d'une étoile supermassive. ”
Donc pas trop de problème de ce côté-là : l'absence de flashs lumineux dans les données de Pan-Starrs, qui seraient dus aux chutes d'étoiles (qui peuvent atteindre un taux de un par an), est effectivement un signe qu'il n'y a pas d'alternative type objet supermassif à surface solidesolide-gazeuse comme les gravastars. Mais on n'avait pas vraiment besoin de cela pour éliminer cette hypothèse absurde, contraire à toute théorie de la gravitation raisonnable dans laquelle se produit l'effondrementeffondrement gravitationnel !
Ceci dit, le titre de leur article, "Stellar disruptiondisruption events support the existence of the black hole event horizon", est un peu trompeur, puisque ce qu'ils veulent montrer ce n'est pas que les ruptures d'étoiles par les forces de marée sont une signature de l'existence des trous noirs avec un horizon des évènements, mais que l'absence de flashs lumineux qui devrait les accompagner exclut l'alternative d'une étoile supermassive.
De fait, c'est moi qui ai fait valoir au début des années 1980 que l'observation de ces ruptures fournissait une signature indirecte de l'existence des trous noirs massifs (mais inférieurs à la limite de Hills), notamment avec le phénomène de crêpe stellaire aujourd'hui couramment observé (un cas typique est celui de ASASSN-15lh, la plus brillante "supernovasupernova" jamais observée, interprétée comme une rupture explosive de naine blanchenaine blanche par un trou noir de masse intermédiaire).
Je disais aussi dans les années 1980 que pour les trous noirs supermassifs au-dessus de la limite de Hills au centre des quasars et des AGNAGN, au lieu d'observer des ruptures d'étoiles par marée, on pourrait observer des ruptures par collisions frontales d'étoiles (la probabilité devenant de l'ordre de un par an, mais dépendant fortement de la distribution des étoiles autour du trou noir). Il faudrait donc voir si les observations de Pan-Starrs posent des contraintes sur de telles collisions... »
Ce qu’il faut
retenir
- Les trous noirs sont définis par la formation d'un horizon des évènements, c'est-à-dire une région fermée de l'espace d'où rien ne peut s'échapper lors de l'effondrement gravitationnel d'un système physique. Cet horizon apparaît lorsqu'un corps devient suffisamment dense.
- Il existe des alternatives à la théorie des trous noirs, notamment l’hypothèse des gravastars.
- L’existence des trous noirs est très probable et l'une des stratégies pour le démontrer est de détecter, dans les ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs, la signature de ce que l'on appelle les modes quasi-normaux des trous noirs.
- Ces modes sont caractéristiques des trous noirs qui vibrent sous l'effet d'une collision.
- Ils commenceraient à être vus dans les données fournies par le détecteur Ligo.
