Voici la candidature la plus étrange de l'histoire de la physique : l'homme dont les équations ont rendu les trous noirs concevables a passé une partie de sa carrière à argumenter contre leur existence. En 1939, Albert Einstein a repris sa propre théorie de la relativité générale pour tenter de prouver que les trous noirs ne pouvaient pas exister.
L'univers a refusé de coopérer. En l'espace d'une vie humaine, les astronomes en ont pesé un, en ont entendu deux entrer en collision, et ont fini par en photographier un. Un trou noir est une région où la gravité l'emporte sans partage — tout ce qui franchit la frontière y reste, la lumière y compris — et l'histoire de la manière dont nous en sommes venus à y croire est faite de paris, de doutes et d'un astérisque très bien placé.
L'idée est apparue dans une lettre de 1784
La toute première version d'un trou noir précède Einstein de plus d'un siècle, et elle est arrivée par courrier. John Michell, astronome et pasteur anglais, avait calculé qu'une étoile ayant la densité du Soleil mais 500 fois son rayon engloutirait sa propre lumière : à sa surface, la vitesse nécessaire pour s'échapper dépasserait la vitesse de la lumière elle-même. Il publia ce calcul dans une lettre en 1784.
L'« étoile sombre » de Michell reposait sur une physique erronée, mais elle aboutissait tout de même à la bonne idée : une masse si concentrée que la lumière ne peut s'en échapper. Il a fallu près de deux siècles pour que ce concept cesse de ressembler à une plaisanterie mathématique.
Le plus grand sceptique a écrit les équations
La tentative d'Einstein, en 1939, d'écarter les trous noirs est l'une des grandes ironies de la science : la théorie même qu'il défendait continuait, en silence, à les imposer. La question fut tranchée — mathématiquement, du moins — en 1965, lorsque Roger Penrose démontra que la relativité générale prédit des singularités à l'intérieur de chaque trou noir. Il ne s'agissait pas d'un artefact de modèles bien ordonnés et symétriques appelé à disparaître dans le désordre de l'univers réel. C'était la règle.
Ce résultat a transformé les trous noirs, simple curiosité, en prédiction. Il ne manquait plus qu'un exemple réel, suspendu dans le ciel, que les astronomes puissent désigner du doigt.
Un pari que Stephen Hawking espérait perdre
Tout a commencé avec Cygnus X-1, une source de rayons X intense dans la constellation du Cygne. Dès 1971, plusieurs équipes de recherche l'avaient identifiée, indépendamment les unes des autres, comme le premier candidat trou noir à recueillir une large adhésion. L'objet refusait de se comporter comme une étoile ordinaire, et les preuves ne cessaient de s'accumuler.
Assez solides, en réalité, pour faire l'objet d'un pari. En 1975, Stephen Hawking et Kip Thorne conclurent un pari amical sur la présence réelle d'un trou noir dans Cygnus X-1 — et Hawking, qui avait consacré des années à la théorie des trous noirs, paria délibérément contre, de sorte que perdre le pari signifierait au moins gagner sur le plan de la physique. Il concéda sa défaite en 1990, une fois que les observations ne laissaient plus guère de place au doute. Aujourd'hui, l'objet compact de Cygnus X-1 est estimé à environ 21,2 fois la masse du Soleil — un objet qu'aucune étoile ordinaire connue ne pourrait expliquer.
Les trous noirs ne sont pas entièrement noirs
Le lot de consolation de Hawking dépassait de loin le pari lui-même. En 1974, il démontra que la théorie quantique des champs oblige les trous noirs à rayonner — faiblement, comme un corps noir, à une température déterminée par leur gravité de surface. C'est ce que l'on appelle aujourd'hui le rayonnement de Hawking, et cela signifie qu'un trou noir peut, en principe, s'évaporer lentement.
Dans la pratique, aucun d'entre eux ne rétrécit encore. Même la plus petite catégorie observée, les trous noirs stellaires, absorbe actuellement plus de masse en provenance du fond diffus cosmologique — la faible lueur résiduelle du Big Bang — qu'elle n'en perd par rayonnement de Hawking. Pour l'instant, la balance ne fait que se remplir.
Le jour où l'espace-temps a résonné comme une cloche
Pendant cent ans, chaque test relatif aux trous noirs est resté indirect. Puis, fin 2015, les collaborations LIGO et Virgo ont capté la toute première détection directe d'ondes gravitationnelles — un événement baptisé GW150914, qui fut aussi la première fusion de trous noirs jamais observée.
Les détails du signal sont vertigineux. Les deux trous noirs qui ont fusionné en spirale pesaient environ 30 et 35 fois la masse du Soleil, et la collision s'est produite à environ 1,4 milliard d'années-lumière de la Terre. Une ondulation de l'espace-temps a parcouru cette distance et a tout de même été enregistrée par des instruments ici-bas. Des centaines de détections similaires ont suivi, mais GW150914 fut le moment où les trous noirs cessèrent de se taire.
Portraits de deux monstres
Entendre les trous noirs ne suffisait pas ; les astronomes voulaient en voir un. Le 10 avril 2019, l'Event Horizon Telescope a publié la toute première image directe d'un trou noir — le géant supermassif situé au cœur de la galaxie Messier 87, luisant comme un anneau de braises autour d'un trou dans le ciel.
La suite fut plus proche de nous. En 2022, la même collaboration a publié une image de Sagittarius A*, le trou noir situé au centre de notre propre Voie lactée, reconstituée à partir de données recueillies dès 2017. Deux portraits, deux galaxies, une seule et même physique — la preuve visuelle la plus solide à ce jour que les horizons des événements sont des lieux bien réels, et non de simples constructions théoriques.
Le poids lourd d'à côté
La première image de Sagittarius A, obtenue par la collaboration Event Horizon Telescope. Photo : EHT Collaboration, Wikimedia Commons, CC BY 4.0*
Sagittarius A* est le trou noir que nous connaissons le mieux, et ses chiffres sont d'une précision remarquable. Sa masse s'élève à 4,297 millions de masses solaires, avec une marge d'erreur de seulement 0,012 million — une précision comptable qui ferait pâlir une banque. Il se trouve à environ 26 000 années-lumière, et sa taille mesurée atteint 51,8 millions de kilomètres — soit environ 32,2 millions de miles — de diamètre.
Ce chiffre mérite une comparaison. La Terre orbite à 150 millions de kilomètres du Soleil, et Mercure descend jusqu'à 46 millions de kilomètres à son point le plus proche. Placez Sagittarius A* à l'emplacement du Soleil, et son ombre dépasserait l'orbite de Mercure — un seul objet plus large que la première voie du Système solaire interne.
Un nom « excitant » et un appétit sans repos
L'astérisque de Sgr A* n'est pas une simple note de bas de page. Robert Brown l'y a glissé en 1982 : cette source radio lui semblait « excitante », or les physiciens marquent les états excités des atomes par un astérisque. Il s'agit peut-être du seul objet du ciel à devoir son nom à une humeur.
Le nom lui va toujours aussi bien. En 2013, des astronomes observant avec le télescope à rayons X Chandra ont surpris Sgr A* en train de produire une éruption 400 fois plus brillante que son habituel murmure discret. Même un trou noir la plupart du temps endormi, semble-t-il, rappelle parfois au voisinage qui règne sur le centre de la galaxie.