Comment sait-on que les trous noirs existent, puisqu’on ne les voit pas ?

Ils sont partout, pourtant vous ne les voyez jamais. Il y aurait 40 000 000 000 000 000 000 trous noirs dans l’Univers (40 milliards de milliards), selon une estimation publiée au début de l’année 2022. Petits ou grands, voraces ou calmes, les trous noirs sont fascinants. Leur champ gravitationnel est si puissant qu’aucune matière entrant dans un trou noir ne peut en ressortir. Y compris la lumière : c’est pourquoi les trous noirs sont… noirs. Ils sont optiquement invisibles.

Mais si personne ne peut les voir, comment sait-on qu’ils existent ? Comment les scientifiques peuvent-ils les étudier et en apprendre autant sur eux ? Rien de magique là-dedans, comme l’explique bien la Nasa : « Les scientifiques peuvent voir comment la forte gravité affecte les étoiles et le gaz autour du trou noir ». Autrement dit, on peut se servir des effets que provoque le trou noir sur son environnement proche pour l’étudier, et ce, même si on ne le voit pas.

Des rayons X émis à travers l’espace

« Lorsqu’un trou noir et une étoile sont proches l’un de l’autre, une lumière à haute énergie est produite. Ce type de lumière ne peut pas être vu avec des yeux humains », complète la Nasa. La matière de l’étoile, déchirée du fait de l’attraction exercée par le trou noir, émet notamment des rayons X à travers l’espace (et l’intérêt des rayons X, c’est qu’ils pénètrent encore mieux à travers le gaz et la poussière que la lumière « normale »). Heureusement, les scientifiques ont aujourd’hui à leur disposition des télescopes, notamment spatiaux, capables de détecter cette lumière — comme l’observatoire de rayons X Chandra.

Cela n’est d’ailleurs pas seulement valable quand une étoile malchanceuse passe un peu trop près d’un trou noir. On peut aussi voir des effets quand un trou noir traverse un nuage de matière interstellaire, par exemple : là aussi, il attire la matière vers lui.

Ce phénomène d’agglomération de la matière est connu sous le nom d’accrétion. La matière attirée par un trou noir se rassemble dans un disque d’accrétion, où elle est chauffée à des millions de degrés (et brille dans les rayons X). Cette matière est proche de l’horizon des événements, qui marque en quelque sorte la « frontière » du trou noir (au-delà de cette limite, pas de retour possible).

Se servir de la « signature » d’un trou noir

On peut aussi en apprendre plus sur un trou noir en utilisant un spectroscope (un instrument permettant d’étudier la lumière) : celui de Hubble peut par exemple aider à estimer la vitesse d’un gaz tourbillonnant autour d’un trou noir. Cette vitesse est en effet considérée comme « la signature » du trou noir : en l’obtenant, on peut ensuite calculer la masse du trou noir. C’est comme ça que l’on sait que le trou noir central de la galaxie M87, situé à 50 millions d’années-lumière, représente 3 milliards de fois la masse du Soleil — le trou noir dont l’image a été présentée en 2019.

Enfin, on peut citer un autre moyen très utile d’en savoir plus sur les trous noirs sans les voir : les ondes gravitationnelles. Leur existence a été tout juste démontrée en 2015, mais cette méthode de détection des trous noirs fait des progrès fulgurants. Grâce à ces perturbations infimes dans l’espace-temps, les astronomes sont désormais en mesure d’enregistrer des événements cataclysmiques : des rencontres entre trous noirs.