Trous noirs : une nouvelle preuve de leur existence avec les rayons X

Les trous noirs stellaires accrétant de la matière et émettant en réponse des rayons X sont-ils bien des trous noirs ou sont-ils simplement des étoiles à neutrons ? Une nouvelle méthode montre une spectaculaire différence suggérant fortement la présence d'un horizon des événements, la signature indubitable d'un trou noir.

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La notion de trou noir a été esquissée une première fois en 1784 par le révérend anglais John Michell dans le cadre de la théorie newtonienne de la gravitation. L'idée était simple et naturelle, surtout du temps où la théorie de la lumière, alors largement dominante, était celle de Newton qui en faisait des particules analogues à celles de la matière. Un corps suffisamment compact pour une masse donnée devait avoir un champ de gravitation assez fort pour empêcher ces particules de lumière de s'échapper de ce corps. On connaissait la vitesse de ces particules de lumière depuis les travaux de l'astronome danois Ole Römer, en 1676.

Le concept a été redécouvert peu après en 1796 par Pierre-Simon de Laplace, mathématicien, philosophe et astronome, grand maître de la mécanique céleste. Le passage suivant, extrait de son livre Exposition du Système du Monde (une version vulgarisée, si l'on peut dire, des théories astronomiques de l'époque), est célèbre : « Un astre lumineux, de la même densité que la Terre, et dont le diamètre serait 250 fois plus grand que le Soleil, ne permettrait, en vertu de son attraction, à aucun de ses rayons de parvenir jusqu'à nous. Il est dès lors possible que les plus grands corps lumineux de l'Univers puissent, par cette cause, être invisibles. ».

Du visible aux ondes radio, l'histoire des théories de la lumière. © Synchrotron Soleil

Mais le début du XIX^e siècle va voir cette intuition visionnaire tomber dans l'ombre. Laplace lui-même n'en parlera plus dans une édition ultérieure de son traité paru après la découverte par Fresnel et Young d'une théorie ondulatoire de la lumière (voir à ce sujet les explications éclairantes dans le livre du prix NobelMax Born). Si la lumière n'est pas composée de sortes de particules matérielles, comment concevoir une action de la gravitation sur elle ?

Toujours est-il que le concept de trou noir va réémerger après la découverte par Einstein de sa théorie de la relativité générale. Mais, il faudra attendre les années 1960 avec les travaux de John Wheeler, Roger Penrose, Stephen Hawking et Yakov Zeldovich en particulier, pour qu'il soit rigoureusement et vigoureusement développé, ainsi que ses signatures observationnelles possibles en astrophysique.

Le cosmologiste et astrophysicien russe Rashid Sunyaev a reçu la médaille Benjamin Franklin de physique 2012 pour ses contributions monumentales à la compréhension de l'Univers primitif et des propriétés des trous noirs. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © The Franklin Institute

Pas de trou noir sans horizon des événements

Aujourd'hui, l'affaire est presque entendue, les trous noirs existeraient bien et ils sont partout, même au centre des galaxies comme semblent le montrer en particulier les observations de M87* avec l'Event Horizon Telescope et celles de Ligo et Virgo qui laissent penser que les fameux modes quasi normaux des trous noirs sont bien là.

Mais attention, le concept de trou noir repose maintenant exclusivement en espace-temps courbe sur la notion d'horizon des événements. Rien à voir avec l'existence d'une singularité de l'espace-temps ou une densité extrême. Il faut qu'un objet soit suffisamment compact pour que se forme une région dont on ne peut s'extraire sans dépasser la vitesse de la lumière.

Démontrer l'existence d'un trou noir, c'est donc démontrer l'existence d'un horizon des événements. Et une nouvelle méthode en ce sens, qui peut déjà se targuer d'un certain succès, vient d'être exposée dans un article publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, en accès libre sur arXiv. Elle est l'œuvre de Srimanta Banerjee et Sudip Bhattacharyya du Tata Institute of Fundamental Research, Inde, de Marat Gilfanov et d'un des mythiques collaborateurs de Zeldovich,  Rashid Sunyaev, de l'Institut Max-Planck d'astrophysique, Allemagne, et de l'Institut de recherche spatiale de l'Académie russe des sciences, Russie.

Un effet Sunyaev-Zeldovich pour les trous noirs ?

La méthode n'est pas sans connexions avec le fameux effet Sunyaev-Zeldovich découvert en cosmologie. Dans les deux cas, il s'agit d'un effet Compton (direct ou inverse) dans lequel des électrons chauds entrent en collision avec des photons pour leur ajouter ou leur retirer de l'énergie, modifiant la forme du spectre des émissions de lumière liées à un phénomène astrophysique.

On sait que des étoiles à neutrons et des trous noirs peuvent se retrouver dans un système binaire avec une étoile dont ils arrachent la matière pour s'entourer d'un disque d'accrétion. Cette matière s'échauffe au point de former un plasma avec électrons libres et d'émettre des rayons X. Sunyaev a fait partie des pionniers de la théorie de l'accrétion par les trous noirs. Avec ses collègues, il précise aujourd'hui que des effets Compton entre les électrons libres de la couronne de plasma des trous noirs stellaires et les photons X associés vont donner des modifications différentes du spectre de rayons X émis, selon que c'est un trou noir ou une étoile à neutrons qui subit le processus d'accrétion.

On peut s'en faire une vague idée en se souvenant que de la matière tombant sur une étoile à neutrons va entrer en collision avec sa surface, mais elle va simplement passer à travers l'horizon des événements d'un trou noir stellaire. Le flux d'énergie au voisinage de ces astres compacts n'est pas le même et aujourd'hui les astrophysiciens se rendent compte qu'il en découle une différence testable avec des observations dans le domaine des rayons X.

C'est une découverte importante parce qu'on n'est pas très sûr de la masse maximale pour une étoile à neutrons de sorte que, parfois, on ne sait pas bien si l'on observe vraiment les émissions X liées à un trou noir léger ou à une étoile à neutrons massive.

Pour voir si leur méthode était fiable, Sunyaev et ses collègues ont consulté les archives des observations en rayons X de la défunte mission avec le satellite Rossi X-Ray Timing Explorer. Dans certains cas, il est possible de montrer clairement que l'on est très probablement en présence d'une étoile à neutrons et pas d'un trou noir stellaire. La nouvelle méthode rend la démonstration encore plus claire et la met directement en relation avec l'existence d'un horizon des événements (des alternatives à la théorie des trous noirs suppriment cet horizon).

La théorie des trous noirs en sort donc renforcée.