Dans l’Univers, il existe des régions où la gravité est tellement forte que rien ne peut s’en échapper, même pas la lumière : ce sont les trous noirs.
Malgré leur nom, ce ne sont pas des “trous” au sens d’un vide, mais des zones de l’espace très particulières, décrites par la physique et observées par les astronomes.
Dans ce texte, tu vas voir ce qu’est un trou noir, comment il peut se former, ce qui se passe à proximité et pourquoi il ne faut pas l’imaginer comme un aspirateur géant qui avale toute la galaxie.

C’est quoi, un trou noir ?

Le mot “trou” peut prêter à confusion : il ne s’agit pas d’un trou matériel, comme un trou dans un mur ou dans le sol.

Un trou noir est une région de l’espace où la gravité est tellement intense que rien ne peut s’en échapper, même la lumière.

Tu connais déjà la gravité (gravité selon Newton) : c’est la force qui te maintient au sol, qui fait tourner la Terre autour du Soleil, et qui maintient les étoiles dans une galaxie.

Dans le cas d’un trou noir, cette force devient extrême :

Un trou noir, c’est une zone de l’Univers où, si l’on s’approche trop, on ne peut plus repartir, même à la vitesse de la lumière.

Les scientifiques décrivent une frontière autour de cette zone : l’horizon du trou noir.

• Tant qu’on reste en dehors, il est théoriquement possible de modifier sa trajectoire et de s’éloigner.
• Une fois l’horizon franchi, on est piégé : aucune information ne peut revenir vers l’extérieur.

On ne voit pas l’intérieur d’un trou noir, car aucune lumière n’en ressort. Ce que l’on observe, ce sont ses effets sur ce qui l’entoure.

Pour donner un ordre de grandeur, un trou noir ayant la masse d’une dizaine de Soleils aurait un diamètre de seulement quelques dizaines de kilomètres, ce qui montre à quel point la matière y est concentrée.

Comment se forme un trou noir ?

La plupart des trous noirs connus se forment à la fin de la vie d’étoiles très massives, beaucoup plus lourdes que le Soleil.

Une étoile est une grande boule de gaz très chaud qui produit de l’énergie pendant des millions ou des milliards d’années. À la fin de sa vie, pour une étoile très massive, il peut se produire le scénario suivant, en version simplifiée :

• le cœur de l’étoile s’effondre sur lui-même ;
• les couches externes sont projetées dans l’espace sous forme de supernova (explosion d’étoile) ;
• le cœur restant devient extrêmement compact et dense : la gravité y est alors si forte qu’un trou noir se forme.

Dans d’autres cas, le cœur effondré devient une étoile à neutrons (ce sera l’objet d’un autre article du dossier).

Un trou noir n’est donc pas du “vide”, mais une quantité de matière très concentrée dans une région réduite.

Que se passe-t-il près d’un trou noir ?

On peut imaginer un vaisseau spatial qui s’approche d’un trou noir pour illustrer ce qui se passe.

• Loin du trou noir, le vaisseau peut se placer sur une orbite stable, comme une planète autour d’une étoile.
• Plus il s’approche, plus la gravité augmente, comme une pente qui devient de plus en plus raide.
• S’il franchit l’horizon, il ne peut plus revenir vers l’extérieur : il est capturé par la région du trou noir.

La gravité peut varier très rapidement d’un point à un autre près d’un trou noir. Un objet allongé pourrait être soumis à des forces très différentes entre ses deux extrémités et être fortement étiré. Les scientifiques utilisent parfois le terme imagé de “spaghettification” pour décrire ce phénomène de manière simple.

On entend souvent dire qu’un trou noir se comporte comme un aspirateur cosmique. Cette image est trompeuse.

• La gravité d’un trou noir suit les mêmes lois que celle d’une étoile ou d’une planète.
• Si l’on remplaçait le Soleil par un trou noir de même masse, les orbites des planètes resteraient pratiquement les mêmes.
• La différence importante est qu’en s’approchant trop de la région centrale, il faut utiliser la description de la gravité selon Einstein (relativité générale), et l’on peut être définitivement piégé.

Autour de certains trous noirs, la matière (gaz, poussière, restes d’étoiles) forme un disque d’accrétion en tournant très vite avant d’être capturée. Cette matière se chauffe fortement et émet beaucoup de lumière, parfois jusqu’en rayons X. C’est souvent ce disque lumineux que l’on détecte, plus que le trou noir lui-même.

On peut résumer ainsi :

Un trou noir ne “avale” pas toute la galaxie. Il capture ce qui s’approche suffisamment près de sa région centrale.

Les trous noirs connus sont très éloignés de la Terre et ne représentent pas un danger pour nous.

Comment peut-on “voir” un trou noir s’il est noir ?

Si aucun rayonnement ne peut sortir d’un trou noir, comment être sûr qu’il existe ?

Les scientifiques n’observent pas le trou noir directement, mais :

• le mouvement d’étoiles qui tournent très vite autour d’un point invisible ;
• la lumière émise par un gaz très chaud qui spirale vers une région sombre ;
• de très légers signaux provenant d’événements violents impliquant des objets très massifs (les ondes gravitationnelles, que l’on pourra aborder dans d’autres textes plus avancés).

Tu n’as pas besoin ici de connaître tous les détails de ces phénomènes. L’idée importante est la suivante :

On détecte les trous noirs grâce à leurs effets sur leur environnement, même si l’intérieur lui-même reste invisible.

L’image devenue célèbre d’un centre sombre entouré d’un anneau lumineux orangé correspond justement à ce type d’observation, combinée à l’aide de grands télescopes répartis sur la Terre.

Des trous noirs géants au centre des galaxies

Dans l’article « L’univers expliqué aux enfants (Galaxies, étoiles, planètes : que trouve-t-on dans l’Univers ?) », tu as vu que les galaxies sont de grands ensembles d’étoiles, de gaz et de poussière.

Au centre de nombreuses galaxies, y compris la Voie lactée, les scientifiques pensent qu’il existe un trou noir supermassif.

Ce type de trou noir :

• peut avoir une masse équivalente à des millions ou des milliards de Soleils ;
• se situe au cœur de la galaxie ;
• influence fortement le mouvement des étoiles proches du centre.

Cependant, même un trou noir supermassif ne capture pas toute la galaxie. Les étoiles éloignées suivent leurs orbites sous l’effet de la gravité globale de la galaxie (qu’on peut en première approximation décrire avec la gravité selon Newton). Le trou noir central est un élément important de la structure, mais il ne “dévore” pas l’ensemble.

Ce qu’on ne comprend pas encore très bien

Les trous noirs sont décrits par des théories puissantes sur la gravité et l’espace-temps (comme celles d’Einstein) et posent aussi des questions qui touchent au monde très microscopique des particules (la physique quantique).

Pour cet article, tu n’as pas besoin de maîtriser ces notions. Il suffit de savoir que :

• certaines parties de l’histoire d’un trou noir ne sont pas encore complètement comprises ;
• en particulier, ce qui se passe exactement au cœur de la région centrale est mal connu, car nos théories actuelles ne sont pas suffisantes pour décrire cette zone avec précision ;
• ces questions feront probablement l’objet d’autres textes, pour des lecteurs qui voudront aller plus loin.

Les trous noirs sont donc :

• des objets réels, observés de mieux en mieux grâce aux télescopes et aux instruments modernes ;
• et des sujets de recherche actifs, qui obligent les scientifiques à affiner leurs théories.

D’autres idées un peu “folles”, comme les trous de ver (des sortes de tunnels imaginaires dans l’espace-temps, dans le cadre de la gravité selon Einstein) ou les voyages plus rapides que la lumière, sont souvent utilisées dans les histoires de science-fiction, et posent elles aussi des questions intéressantes aux physiciens.

En résumé

On peut retenir les idées essentielles suivantes :

• Un trou noir est une région de l’espace où la gravité est si forte que rien ne peut s’en échapper, même pas la lumière.
• La plupart se forment à la fin de la vie d’étoiles très massives, dont le cœur s’effondre et devient extrêmement compact.
• On ne voit pas directement l’intérieur d’un trou noir, mais on observe ses effets : trajectoires d’étoiles, gaz chauffé, émissions de lumière très énergétique, signaux faibles liés à des événements violents.
• Un trou noir n’est pas un aspirateur géant : il ne capture que ce qui s’approche suffisamment près de sa région centrale.
• Il existe aussi des trous noirs supermassifs au centre des galaxies, comme au cœur de la Voie lactée.
• De nombreuses questions restent ouvertes, ce qui en fait un sujet de recherche important et un thème fascinant à explorer.

Avec les autres articles du dossier — sur le Big Bang, la gravité (selon Newton pour la vie de tous les jours, et selon Einstein pour l’Univers et les objets extrêmes), « L’univers expliqué aux enfants (Galaxies, étoiles, planètes : que trouve-t-on dans l’Univers ?) », l’expansion de l’Univers, la fin possible de l’Univers, ainsi que sur les étoiles à neutrons et les trous de ver — tu disposes maintenant d’un ensemble cohérent pour mieux comprendre ces régions extrêmes de l’Univers, dont les trous noirs sont un exemple particulièrement spectaculaire.