TROUS NOIRS

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Collisions de trous noirs et ondes gravitationnelles

L'hypothèse d’une collision entre deux trous noirs peut à première vue paraître surprenante quand on sait que les trous noirs sont excessivement rares. Cependant, au moins la moitié des étoiles appartiennent à des systèmes doubles. Les couples d’étoiles initialement très massives peuvent donc parfaitement, au terme de leur évolution, former des couples de trous noirs stellaires. Selon la théorie de la relativité générale, un couple de trous noirs en orbite l'un autour de l'autre perd de l'énergie en produisant des ondes gravitationnelles et finit par fusionner. Par ailleurs, les galaxies, quand elles sont suffisamment serrées dans leurs amas, ont souvent tendance à se rencontrer. Leurs trous noirs centraux pourraient faire de même en se mettant en orbite l’un autour de l’autre, puis en fusionnant, avec production d’une copieuse émission d’ondes gravitationnelles.

Prédiction clé d'Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale, les ondes gravitationnelles sont de légères perturbations subies par la trame de l'espace-temps sous l'effet du déplacement à très grande vitesse d'objets de grande masse. Elles se propagent à la vitesse de la lumière et voyagent pendant des milliards d'années sans que rien ne les altère. Une preuve indirecte de leur existence avait été produite par la découverte en 1974 d'un couple d’étoiles à neutrons tournant l'une autour de l'autre à très grande vitesse, par Russell Hulse (né en 1950) et Joseph H. Taylor (né en 1941).

En raison de leur très faible amplitude (dans les détecteurs actuels, il s’agit de mesurer une variation de longueur de l’ordre de 10-18 mètre, soit mille fois inférieure à la taille d’un proton), la détection directe des ondes gravitationnelles requiert une technologie si avancée qu’il a fallu attendre 2015 pour que les détecteurs interférométriques américains LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), puis en 2017 le détecteur européen Virgo, atteignent la sensibilité requise.

La fusion de deux trous noirs donne un trou noir unique, dont la masse est inférieure à la somme des masses des deux parents, la différence d’énergie étant évacuée précisément par les ondes gravitationnelles. Ces ondes ont été détectées pour la première fois le 14 septembre 2015 par les deux interféromètres du réseau LIGO lors de l’événement baptisé GW150914. Les ondes gravitationnelles ont été majoritairement produites à la dernière fraction de seconde avant la fusion de deux trous noirs. L'analyse des données et la comparaison avec les modèles théoriques ont permis de déterminer que ces deux trous noirs stellaires avaient fusionné il y a 1,3 milliard d'années. Ils étaient vingt-neuf et trente-six fois plus massifs que le Soleil et en rotation rapide, pour un diamètre de seulement 150 kilomètres. Ils ont formé un trou noir unique de 62 MS, la différence de 3 MS étant évacuée par les ondes gravitationnelles – une énergie colossale, de l’ordre de cinquante fois l’énergie lumineuse de toutes les galaxies de l’Univers observable.

Fusion de trous noirs et ondes gravitationnelles

Dessin : Fusion de trous noirs et ondes gravitationnelles

Selon les simulations numériques, la coalescence de deux trous noirs stellaires engendre des ondes gravitationnelles (courbe rouge) caractéristiques des différentes phases du mouvement. D'abord, au fur et à mesure que les trous noirs s'approchent l'un de l'autre en spirale, les ondes... 

Crédits : J.-P. Luminet

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Fusion de trous noirs

Photographie : Fusion de trous noirs

Cette vue d'artiste représente le couple de trous noirs qui a donné lieu à l'événement GW150914 (GW pour gravitational wave, « onde gravitationnelle », les chiffres indiquant la date du 14 septembre 2015) au cours duquel ils ont fusionné. Les ondes gravitationnelles engendrées par... 

Crédits : Animation created by SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project/ www.black-holes.org

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On peut considérer qu’il s’agissait là d’une preuve directe de l’existence des trous noirs de type stellaire, dont on n’avait pu jusqu’à présent qu’observer des manifestations électromagnétiques indirectes.

Depuis cette première détection d’ondes gravitationnelles, LIGO et Virgo (à partir de 2017) ont mis en évidence d’autres fusions de trous noirs binaires, et observé pour la première fois une collision d’étoiles à neutrons.

L'étape suivante sera la mission américano-européenne LISA (Laser Interferometer Space Antenna) programmée pour 2034. Elle se compose de trois satellites disposés aux sommets d’un triangle équilatéral de 5 millions de kilomètres de côté, en orbite autour du Soleil et suivant la Terre à une distance de cinquante millions de kilomètres. Les faisceaux lasers qui relieront les satellites permettront de mesurer une variation de longueur d’un milliardième de millimètre à chaque passage d'une onde gravitationnelle. Fonctionnant dans une bande de fréquences complémentaire de celle des instruments au sol, LISA donnera accès à d’autres classes d’événements astrophysiques, comme les captures d’objets compacts (naines blanches, étoiles à neutrons) par les trous noirs massifs des galaxies proches, ainsi que la coalescence de trous noirs géants au sein de lointaines galaxies en collision.

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Puits gravitationnel créé par un trou noir

Puits gravitationnel créé par un trou noir
Crédits : J.-P. Luminet

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Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma

Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma
Crédits : J.-P. Luminet

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Galaxie NGC 1277

Galaxie NGC 1277
Crédits : NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA)

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Théorème de calvitie

Théorème de calvitie
Crédits : J.-P. Luminet

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Jean-Pierre LUMINET, « TROUS NOIRS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 21 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/trous-noirs/