Jean-Pierre Luminet, astrophysicien, directeur de recherche au CNRS, nous éclaire de façon remarquable sur les trous noirs dans son livre : "Les trous noirs en 100 questions", 2024.
Un trou noir est une concentration de matière et d'énergie si importante qu'aucune particule matérielle ni aucune lumière ni rayonnement ne peut en sortir. Autrement dit, c'est un puits de gravité dans l'espace temps, tellement incurvé que rien ne peut en sortir. On ne peut donc pas le voir directement, ni voir ce qu'il y a à l'intérieur.
Il y en aurait un nombre stupéfiant : 40 milliards de milliard ! Il y en aurait de tailles variées. Un petit trou noir autour duquel tourne l'étoile V723 Moon pèserait 3,04 masses solaires et aurait un rayon (horizon des événements) de 9km seulement; il aurait été formé par l'effondrement d'une étoile sur elle-même; c'est ce qu'on appel un trou noir stellaire. D'autres sont incroyablement plus grands. Le trou noir central de la galaxie IC101 pèserait entre 40 et 200 milliards de masses solaires!
Le trou noir au centre de notre galaxie de la Voie Lactée est Sagittarius A*, il est situé à 26 000 années lumières de la terre, il pèse 4,152 millions de masses solaires et a un rayon ne dépassant pas 1 Unité Astronomique (distance terre-soleil : 150 millions de kilomètres).
Qu'il y a-t-il à l'intérieur des trous noirs? Ne pouvant pas les observer directement, les physiciens ne peuvent que spéculer et modéliser ce qu'il s'y passe. La théorie de la relativité générale d'Einstein permet de déduire, pour un trou noir statique, que la matière et l'énergie s'y concentre un seul point de densité infinie, créant ainsi une singularité gravitationnelle dans l'espace temps. De façon étonnante et amusante, dans un trou noir en rotation, la singularité de densité infinie est un anneau (voir la singularité annulaire d'un trou noir de Kerr ci dessous)
L'idée de voir la matière et l'énergie s'entasser dans un point infinitésimal constitue une absurdité pour les physiciens. Ils considèrent que les singularités gravitationnelles sont plutôt des zones de l'espace temps indéfinies, correspondant aux limites mathématiques de la relativité générale, et pouvant être perçues comme une pathologie de la théorie. Les physiciens sont à la recherche d'une théorie plus générale qui évitent les singularités, garantissant ainsi un minimum de cohérence mathématique et physique.
La théorie d'Einstein-Cartan couple un terme de torsion à la courbure, permettant d'éliminer la singularité et la remplaçant par un rebond de la matière/énergie sur une distance spatiale courte. Les théories de gravitation quantique soulèvent quant à elles beaucoup d'espoir: la théorie de la gravitation quantique à boucle remplace la singularité par un rebond quantique, tandis que la théorie des cordes remplace la singularité par un agglomérat de cordes entremêlées.
Les trous noirs structurent notre univers, comme en témoigne la découverte que les galaxies tournent autour de trous noirs géants.
Plus impressionnant encore, les trous noirs pourraient aussi relier leur espace temps à une autre partie de l'espace temps de notre univers, ou à un autre univers, à travers les trous de ver.
Les trous noirs représentent certainement un sujet d'étude très riche, qu'un article de blog ne peut qu'effleurer.
