La fameuse première image directe d'un trou noir révélé plus tôt cette année.

Les «étoiles dégénérées»

SCIENCE AU QUOTIDIEN / «Dans l’actualité scientifique récente, on a parlé abondamment des trous noirs et j’aimerais comprendre l’origine de ce nom qui me semble un peu étrange, considérant que l’objet en question est super massif alors que par définition, un trou est vide. Et s’il retient toute la lumière et est, de ce fait, invisible, alors pourquoi dit-on qu’il est noir ?», demande Pierre Laforce, de Québec.

Les trous noirs se forment quand des étoiles suffisamment grosses finissent de «brûler» l’hydrogène dont elles sont constituées, explique le physicien retraité de l’Université Laval Serge Pineault, qui a étudié ces drôles d’objets pendant sa carrière de chercheur. Lorsque les réactions de fusion nucléaire qui produisent l’énergie des étoiles comme notre Soleil cessent, alors elles se mettent à refroidir. Or les étoiles sont comme les autres objets de ce point de vue : plus elles sont chaudes, plus elles prennent de l’expansion, et inversement plus leur température diminue, plus elles se contractent. Et la contraction des étoiles en fin de vie a des conséquences, ma foi, spectaculaires en physique. Examinons-les, cela nous permettra de répondre à la question de M. Laforce.

À cause de la gravité, chaque particule d’une étoile exerce une force d’attraction sur toutes les autres — c’est ce qui les tient en un seul morceau pendant des milliards d’années. Et comme les étoiles ont des masses titanesques, cela implique que la pression en leur cœur est extrêmement intense : au centre du Soleil, par exemple, elle équivaut à environ 250 millions de fois celle qui prévaut dans les abysses marines, à 10 000 mètres sous la mer !

Maintenant, quand une étoile en fin de vie commence à refroidir et à se contracter, la distance entre chacune de ses parties diminue. Or justement, l’attraction gravitationnelle augmente rapidement à mesure que deux objets se rapprochent, à raison de «l’inverse du carré de la distance», comme disent les physiciens. Cela signifie que si la distance entre deux parties d’une étoile est réduite de moitié, alors elles s’attirent 2(2) = 4 fois plus fort ; si la distance est coupée en trois, alors l’attraction devient 3(2) = 9 fois plus grande ; et ainsi de suite. Alors forcément, la pression déjà inouïe à l’intérieur de l’étoile va s’accroître encore.

La matière au cœur d’une étoile se comporte à la manière d’un gaz et obéit aux mêmes lois de la physique, explique M. Pineault : si la température du gaz augmente, par exemple, alors sa pression augmente aussi ; si l’on augmente le volume du gaz, alors sa pression et sa température chutent; etc. Mais quand une étoile meurt et se contracte, alors la pression interne atteint des niveaux tels que la matière fini par avoir des comportements, disons, «inhabituels».

«Dans une étoile relativement petite comme le Soleil, dit-il, les électrons vont devenir tellement tassés qu’ils vont former ce qu’on appelle un gaz dégénéré, qui ne se comporte plus comme un gaz normal.» Grosso modo, la pression va forcer les électrons à «accepter» de s’entasser à plusieurs dans des volumes beaucoup plus petits que ce qui serait normalement possible — un peu comme si on parvenait à contraindre deux boules de billard à occuper un même espace en même temps au lieu de rebondir l’une sur l’autre. Cela peut sembler bizarre, du point de vue de l’expérience quotidienne que nous avons de la matière, mais c’est ce qui se passe, et cela donne une idée des pressions absurdes dont on parle ici. Les étoiles de la taille du Soleil finissent en «naines blanches», des objets de seulement quelques milliers de kilomètres de rayon et dont la densité avoisine 1 tonne par centimètre cube !

Chez les étoiles qui ont une masse 10 à 30 fois supérieures à celle du Soleil, c’est encore pire, poursuit M. Pineault : la pression est si intense qu’elle force les électrons et les protons à se «fusionner», pour ainsi dire, et devenir ainsi des neutrons. Ces objets, imaginez un peu, condensent la matière de 2 à 3 de soleils (ils perdent beaucoup de matière en se formant) dans une sphère de seulement 10 à 20 km de diamètre, ce qui donne des densités de l’ordre du million de tonnes par cm³.

Certaines de ces étoiles massives, cependant, conservent plus que 3 masses solaires lorsqu'elles «meurent», et dans leur cas il se passe… eh bien on ne comprend pas trop ce qui se passe là-dedans, indique M. Pineault, mais on sait qu’elles finissent en trous noirs. «La meilleure façon de se représenter les choses, dit-il, c’est de s’imaginer qu’on est sur étoile et qu’on a une pomme qu’on veut lancer à l’infini. À quelle vitesse doit-on lancer la pomme pour qu’elle s’arrache à la gravité de l’étoile ? À la surface du Soleil, cette «vitesse d’échappée» est de 600 km par seconde. Mais à mesure qu’une étoile se contracte, il faut lancer de plus en plus fort, jusqu’au point où il faudrait lancer pomme à la vitesse de lumière. Passé ce point-là, il n’y a plus de vitesse d’échappée possible parce que rien ne peut pas aller plus vite que la vitesse de la lumière.»

Cela implique aussi que l’espace-temps autour du trou noir est tellement tordu par la gravité que même la lumière est «capturée» si elle passe à une certaine distance de cette matière ultracondensée — distance que l’on nomme horizon des événements.

À l’origine. l’expression «trou noir» aurait désigné une cellule de prison particulièrement sordide à Calcutta, dans l’Inde coloniale, d’après le livre sur l’histoire de l’astronomie Mapping the Heavens [http://bit.ly/2IXF5fT]. Elle aurait fini par signifier plus généralement une «expérience horrible», et fut utilisée pour désigner les célèbres objets astronomiques à partir des années 60, pour des raisons qui ne semblent pas complètement claires. Mais le fait est que l’expression décrit fort bien ce qu’elle désigne. La gravité des trous noirs est telle que tout ce qui s’en approche y tombe irrémédiablement, comme dans un trou. Et si aucune lumière ne parvient à s’en échapper, alors l’horizon des événements apparaîtrait comme un cercle noir pour un œil humain qui l’observerait directement.

La toute première image d’un trou noir qui a été dévoilée récemment n’était pas uniformément noire parce qu’elle montrait aussi d’autres choses, comme un disque d’accrétion, soit de la matière qui tourne autour du trou noir lui-même, dit M. Pineault.

Précision : une version antérieure de ce texte a été modifiée afin de clarifier que les étoiles massives qui conservent plus de 3 masses solaires en fin de vie deviennent des trous noirs.