Qu'est-ce qu'un trou noir ? Ce que l'on voit, ce que l'on déduit

L’image que vous avez peut-être en tête — un entonnoir sombre qui aspire tout ce qui passe — est à peu près l’inverse de la réalité. Un trou noir n’attire pas plus qu’une étoile de même masse, et il n’y a aucun trou. Ce qu’il y a, c’est une région de l’espace si compacte que la lumière elle-même n’en ressort plus. Voici ce que cette phrase signifie, et par quels détours les astronomes en ont observé.

Une frontière, pas un gouffre

Lancez une pierre vers le haut : elle retombe. Au-delà d’une certaine vitesse, dite de libération, elle ne retomberait plus. Comprimez une masse dans un volume toujours plus petit, et ce seuil grimpe. Le CNES décrit le résultat sans détour : un trou noir est un corps si massif et si compact que même la lumière n’arrive plus à s’en libérer, ce qui demande une vitesse de libération de 300 000 kilomètres par seconde.

Or rien ne va plus vite : la vitesse de la lumière est une limite, pas un record à battre. La surface où la vitesse de libération atteint cette valeur s’appelle l’horizon des événements. Ce n’est pas une paroi, rien n’y est matériel : c’est une frontière à sens unique. Au-delà, aucune information ne nous revient — d’où le mot « noir ».

Hors de cet horizon, la gravité se comporte normalement. Une planète en orbite autour d’un trou noir de dix masses solaires décrirait la même ellipse qu’autour d’une étoile de dix masses solaires : la loi de la gravitation de Newton y suffit, comme pour les planètes du Système solaire. Un trou noir n’aspire pas à distance ; il est seulement très difficile à quitter quand on s’en est trop approché.

Deux familles, des tailles qui surprennent

Le CNES distingue les trous noirs stellaires, vestiges d’étoiles massives effondrées sur elles-mêmes, de 10 à 20 fois la masse du Soleil pour un diamètre de 10 à quelques dizaines de kilomètres seulement — le plus léger connu pèse 3,8 masses solaires. Une masse d’étoile à l’échelle d’une agglomération : toute l’affaire est là.

L’autre famille siège au cœur des galaxies et pèse des millions à des milliards de masses solaires. La nôtre en abrite un, Sagittarius A*. Le journal du CNRS lui attribue 4,3 millions de masses solaires, à environ 27 000 années-lumière de nous, pour un diamètre équivalent à trente fois celui du Soleil. Une troisième catégorie, les trous noirs primordiaux issus des premiers instants de l’Univers, reste hypothétique : aucun n’a jamais été détecté, et l’origine même des trous noirs supermassifs n’est pas tranchée.

Comment on observe l’invisible

Trois chemins, tous indirects : c’est leur convergence qui a emporté la conviction.

Le premier consiste à suivre les étoiles qui frôlent l’objet. Au centre de notre Galaxie, un essaim d’étoiles tourne autour d’un point où l’on ne voit rien. L’une d’elles, S2, est passée en mai 2018 à 120 fois la distance Terre-Soleil de Sagittarius A* : l’Observatoire de Paris a mesuré à cette occasion une vitesse de 8 000 kilomètres par seconde, soit 2,7 % de celle de la lumière, et le rougissement de sa lumière prévu par la relativité générale.

Le deuxième est l’image elle-même. En mai 2022, le réseau Event Horizon Telescope — huit radiotélescopes synchronisés en un instrument virtuel de 10 000 kilomètres, dont Noema sur le plateau de Bure — a publié le portrait de Sagittarius A* : un anneau de gaz brillant cerclant une ombre centrale. L’exploit se mesure à la finesse exigée : distinguer une orange posée sur la Lune, à la distance Terre-Lune.

Le troisième écoute les collisions. Le 14 septembre 2015, les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont enregistré en un cinquième de seconde la fusion de deux trous noirs de 36 et 29 masses solaires, à 1,3 milliard d’années-lumière ; l’Institut d’astrophysique de Paris rappelle que l’astre final n’en pesait que 62, l’équivalent de trois Soleils étant parti en vibrations de l’espace-temps. Plus récemment, le satellite Gaia a trahi la présence de Gaia BH3, près de 33 masses solaires à quelque 1 900 années-lumière dans la constellation de l’Aigle, par le simple balancement de l’étoile qui l’accompagne — annonce de l’Observatoire de Paris, du CNRS et du CNES le 16 avril 2024.

Ce que personne ne sait décrire, c’est l’intérieur. Les équations y donnent une singularité, un point de densité infinie — et un infini qui surgit dans un calcul signale d’ordinaire la limite de la théorie, pas celle de la nature. Pour regarder dans la bonne direction, cherchez le Sagittaire bas sur l’horizon sud les soirs d’été : le centre galactique est là, derrière les nuages d’étoiles de la Voie lactée. Vous ne verrez pas le trou noir — personne ne le voit — mais vous saurez exactement où il se tient.