L'observation des trous noirs

Le trou noir est probablement l'astre le plus étrange que la physique ait révélé. La question suivante est donc bien légitime : un tel objet existe-t-il vraiment ou bien ne s'agit-il que du produit de l'imagination débridée des théoriciens ? Répondre à cette question pose une difficulté de fond puisque, par définition, un trou noir est invisible car aucun rayonnement ne peut en échapper. Il est par conséquent impossible d'obtenir une preuve définitive, par exemple une photographie directe.

 
La solution va consister à essayer de détecter la présence d'un trou noir indirectement, par les effets qu'il produit sur un autre corps. Comme nous l'avons vu, de très nombreuses étoiles ne sont pas isolées, mais font partie de couples stellaires. Lorsque l'un des membres d'une binaire est une naine blanche ou une étoile à neutrons, un transfert de masse peut se mettre en place et produire des phénomènes comme les novae ou les supernovae. Si l'une des étoiles est un trou noir, des processus similaires peuvent se produire, de la masse est transférée, un disque d'accrétion se forme, les températures atteignent des valeurs extrêmes et de grandes quantités de rayons X sont émises. Ceci nous fournit un moyen de détecter de possibles trous noirs. Il suffit tout simplement de trouver des sources de rayons X dans des étoiles binaires.

Le problème, évidemment, réside dans le fait que les étoiles à neutrons peuvent également produire des rayons X en grand nombre. Il est donc crucial de pouvoir déterminer si une source est bel et bien un trou noir. Un moyen simple pour cela est d'arriver à déterminer la masse du corps qui émet les rayons X. En effet, l'étude théorique des étoiles à neutrons a montré que la masse maximale possible était d'environ trois fois celle du Soleil. Ainsi, si une source de rayons X se révèle posséder plus de trois masses solaires, il est légitime de penser qu'il ne s'agit pas d'une étoile à neutrons, mais bien d'un trou noir.

Cygnus X-1

Le premier candidat fut découvert au début des années 1970 par le satellite Uhuru observant dans les rayons X. Celui-ci détecta dans la constellation du Cygne une source très intense à laquelle on donna le nom de Cygnus X-1. En plus de sa puissance, le rayonnement de cet objet avait la particularité de présenter des variations extrêmement rapides, parfois en des temps de quelques millisecondes.

Le trou noir présumé Cygnus X-1 observé en 2002 dans les rayons X par le satellite européen Integral. Cygnus X-1 semble très isolé sur cette image car les étoiles proches sont toutes normales et n'émettent pas dans ce domaine de longueur d'onde. Cygnus X-1 n'est pas un corps isolé mais fait partie d'un système double avec une supergéante bleue appelée HDE 226868. C'est le gaz arraché de cette supergéante qui émet des rayons X en allant se perdre dans le trou noir.

 Ces fluctuations très rapides montraient que la source devait être très petite. En effet, pour qu'un processus fasse varier la luminosité d'un corps de façon notable, il doit affecter l'objet globalement. Ceci signifie qu'il y a nécessairement un échange d'information entre toutes les parties du corps. Or, ces échanges ne se font pas instantanément, mais au mieux à la vitesse de la lumière, comme nous l'apprend la relativité. Si la lumière met une année pour traverser un corps, celui-ci ne peut pas présenter des variations notables à l'échelle d'une journée. Ainsi, les fluctuations très rapides de l'intensité de Cygnus X-1 prouvaient que cet objet devait être très petit, avec une taille de l'ordre de quelques centaines de kilomètres.

Mais les observations X ne permirent pas de déterminer précisément la position de Cygnus X-1. Il fallut attendre 1972 pour que les radioastronomes y parviennent. Il apparut alors que la source Cygnus X-1 devait être liée, d'une façon ou d'une autre, à une étoile normale située à 6 000 années-lumière, HDE226868, qui ne pouvait pas être elle-même la source des rayons X. L'analyse spectrale de l'étoile révéla un va-et-vient périodique des raies de l'étoile, qui montrait qu'elle devait être en orbite autour d'un autre objet. La conclusion était simple. HDE226868 avait un compagnon, Cygnus X-1, trop peu lumineux pour être observable dans le visible, mais qui attirait la matière de l'étoile et était en conséquence une source de rayons X. 

 Ce compagnon était-il un trou noir ou une étoile à neutrons ? Grâce à la relation entre masse et luminosité des étoiles, les astrophysiciens savaient que l'étoile HDE226868, de type B, possédait 30 masses solaires. Ils connaissaient également, grâce à l'analyse du déplacement des raies, le mouvement de cette étoile. A partir de ces données, ils étaient en mesure de déterminer la masse requise pour faire effectuer à une étoile de 30 masses solaires un tel mouvement. Le résultat était que Cygnus X-1 devait être un corps d'environ 10 masses solaires, ce qui était clairement au-dessus de la masse limite pour les étoiles à neutrons.

Cygnus X-1 est donc très probablement un trou noir. Sa masse, sa petite taille et la puissance de son rayonnement X semblent le montrer. Il faut noter cependant que cela n'est pas absolument sûr. Il reste des incertitudes dans le calcul de la masse de l'objet. Si le monde est vraiment mal fait et si toutes les erreurs vont dans le même sens, il se peut que Cygnus X-1 n'ait que trois masses solaires et soit donc simplement une étoile à neutrons. Cela est néanmoins très improbable.

D'autres candidats

Depuis Cygnus X-1, d'autres candidats au titre de trou noir ont été découverts. Ils présentent tous les mêmes caractéristiques, des émissions X intenses, rapidement variables, et une masse supérieure à trois fois celle du Soleil. On peut citer par exemple A0620-00 dans la constellation de la Licorne, LMC X-1 et LMC X-3 dans le Grand Nuage de Magellan ou V404 Cygni dans la constellation du Cygne. Ce dernier exemple est probablement le plus convaincant, puisque la masse minimale de l'objet, en tenant compte de toutes les incertitudes, est de six masses solaires, soit deux fois la masse maximale des étoiles à neutrons.

Enfin, nous verrons plus tard qu'il existe une autre forme de trous noirs, une version beaucoup plus massive que l'on retrouve au centre des galaxies et qui peut atteindre plusieurs milliards de masses solaires. Des observations de nature différente ont établi avec une quasi-certitude l'existence de ces trous noirs supermassifs. Ce résultat est évidemment un argument de plus en faveur de la possibilité de trous noirs formés à partir de résidus d'étoiles.