Un horizon des événements n'a aucune matière à toucher, aucune couleur, aucune épaisseur — et pourtant, c'est la frontière la plus absolue de l'univers. Le franchir, et même un rayon de lumière pointé droit dans la direction d'où vous venez ne peut s'en échapper. Rien ne marque cet endroit, si ce n'est les mathématiques qui le décrivent.
Cette combinaison, une frontière qui est à la fois partout-nulle part et absolument définitive, est ce qui distingue un trou noir de tout autre objet en astronomie. Les planètes et les étoiles ont des surfaces sur lesquelles on pourrait, en principe, se tenir debout. Un horizon des événements est une frontière dans l'espace-temps lui-même, et les règles ne sont pas les mêmes des deux côtés.
L'histoire de la façon dont les physiciens en sont venus à comprendre cette frontière s'étend d'une lettre du 18e siècle à une photographie de 2019, et elle ne cesse de faire surgir des idées plus étranges encore que le trou noir lui-même.
Une frontière prédite avant même qu'on ait un mot pour la nommer
La première esquisse de cette idée remonte à 1784, lorsque le pasteur et astronome anglais John Michell proposa que la gravité, à proximité d'un objet suffisamment massif et compact, puisse être assez forte pour empêcher même la lumière de s'échapper. Il n'existait pas encore de relativité générale, ni de nom pour la frontière que Michell avait décrite — seulement l'arithmétique d'une vitesse de libération qui dépassait la lumière elle-même.
Le nom, lui, n'est arrivé que des générations plus tard, au milieu du siècle, presque comme une réflexion après coup. Le physicien Wolfgang Rindler a inventé le terme « horizon des événements » dans les années 1950, empruntant le mot « horizon » pour désigner quelque chose qui cache des événements plutôt que la terre. Une définition plus rigoureuse a suivi en 1958, lorsque David Finkelstein a utilisé la relativité générale pour décrire l'horizon comme une frontière au-delà de laquelle rien de ce qui s'y passe ne peut jamais affecter un observateur situé à l'extérieur. Cette formulation est toujours celle qu'utilisent les physiciens : l'horizon des événements n'est pas défini par ce qu'il contient, mais par ce qui ne peut jamais en sortir.
Un rayon que l'on peut calculer sur un coin de table
Aussi abstraite que puisse paraître cette définition, la taille d'un horizon des événements est l'un des chiffres les plus simples à calculer en physique dès lors que l'on connaît la masse d'un objet. C'est le rayon de Schwarzschild, nommé d'après l'astronome allemand Karl Schwarzschild, qui a établi cette solution en 1916, quelques mois seulement après qu'Einstein eut publié la relativité générale elle-même.
Il suffit d'entrer n'importe quelle masse pour obtenir le rayon, ce qui permet des comparaisons saisissantes. Comprimez le Soleil jusqu'à son rayon de Schwarzschild, et il devrait tenir dans une sphère d'environ 3,0 km (1,9 mi) de diamètre. Faites de même avec la Terre, et la sphère se réduit à environ 9 mm (0,35 po) — plus petite qu'une bille. La version de la Lune ferait environ 0,1 mm (0,004 po), une frontière que vous pourriez perdre sur le bout d'un doigt. Aucun de ces corps n'est ne serait-ce que proche d'être assez dense pour réellement former un horizon ; ce chiffre décrit seulement à quel point ils en sont loin.
À l'autre bout de l'échelle, le rayon de Schwarzschild du trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée s'élève à environ 12 millions de kilomètres — une frontière qui engloutirait sans mal l'orbite de Mercure.
Plus d'eau que n'importe quel océan, juste avant l'effondrement
La formule du rayon de Schwarzschild recèle une implication véritablement étrange : comme elle évolue avec la masse, tandis que la taille physique d'un objet évolue avec la racine cubique de son volume, une matière de faible densité peut franchir sa propre frontière d'horizon s'il y en a simplement assez. En calculant la quantité d'eau ordinaire que l'on pourrait rassembler avant que l'ensemble de la masse ne s'effondre sous sa propre gravité, on obtient une sphère d'un rayon d'environ 400920754 km, soit environ 2,67 UA — plus large que la distance entre le Soleil et la ceinture d'astéroïdes.
C'est exactement pour cette raison que les tout plus grands trous noirs sont, en moyenne, moins extrêmes que les petits. Le volume délimité par l'horizon des événements des trous noirs les plus massifs présente une densité moyenne inférieure à celle des étoiles ordinaires de la séquence principale. Un horizon marque l'endroit où l'échappée devient impossible, pas celui où la matière est comprimée à sa limite — et pour un objet suffisamment grand, « impossible de s'échapper » et « aussi ténu qu'une étoile » peuvent décrire le même endroit.
Vous ne verriez jamais quelqu'un y tomber réellement
Voici la partie qui déroute même les lecteurs les plus attentifs : un horizon des événements ne se franchit que dans un sens, mais depuis l'extérieur, personne ne peut jamais observer ce franchissement se produire. Les objets envoyés vers un horizon des événements ne semblent jamais réellement l'atteindre du point de vue d'un observateur distant, car la lumière porteuse de cette image finale ne parvient jamais à atteindre l'observateur. L'objet en chute semble ralentir, s'assombrir et s'estomper indéfiniment à l'approche de l'horizon, sans jamais y arriver de manière visible.
La question de savoir si la chute elle-même serait supportable dépend entièrement de l'échelle. Un astronaute humain ne survivrait à la traversée d'un horizon des événements que dans un trou noir d'une masse d'environ 10 000 masses solaires ou plus — en dessous, les forces de marée à proximité de la frontière causent des dégâts bien avant même que l'horizon ne soit atteint.
Le point de non-retour, étiré jusqu'à sa limite
Ces dégâts portent un nom : la spaghettification. À proximité d'un trou noir, la différence d'attraction gravitationnelle entre le côté proche et le côté éloigné d'un objet devient si extrême que rien ne peut résister à un étirement dans la direction de la chute. Un petit trou noir provoque cet effet bien avant son horizon, ce qui explique précisément pourquoi un trou noir de faible masse est mortel bien avant qu'un astronaute n'approche seulement de la frontière elle-même.
Mais si l'on augmente la taille du trou noir, la géographie change. Pour un trou noir supermassif, le point où la spaghettification commencerait se situe à l'intérieur même de l'horizon des événements, si bien qu'un astronaute pourrait franchir la frontière sans remarquer le moindre étirement — même si la chute vers le centre reste ensuite inévitable. Autrement dit, il est possible de franchir le point de non-retour et de se sentir parfaitement bien, pendant un certain temps.
Photographier une silhouette que personne ne peut voir
Un horizon des événements n'émet aucune lumière propre, si bien qu'aucun télescope ne peut l'imager directement — ce que les astronomes peuvent saisir, c'est sa silhouette se détachant sur le gaz incandescent et surchauffé qui tourbillonne juste à l'extérieur. C'est cette silhouette que l'Event Horizon Telescope, un réseau mondial d'antennes radio fonctionnant comme un seul instrument, s'est donné pour mission de capturer. La toute première image d'un trou noir, au centre de la galaxie Messier 87, a été publiée par la collaboration Event Horizon Telescope le 10 avril 2019, répartie simultanément sur six publications scientifiques.
Les chiffres derrière cette image sont étonnants en eux-mêmes. Le télescope a mesuré la masse de ce trou noir à 6,5 ± 0,7 milliard de masses solaires et le diamètre de son horizon des événements à environ 40 milliards de kilomètres (270 UA), soit environ 2,5 fois plus petit que l'ombre incandescente que montre réellement l'image — cette ombre est amplifiée par la façon dont la lumière se courbe autour de l'horizon avant d'atteindre la Terre. Le 12 mai 2022, la même collaboration a dévoilé un second portrait : le trou noir supermassif situé au centre de notre propre Voie lactée, Sagittarius A*.
Les deux images ont dépendu d'une résolution sans précédent. Depuis 2018, l'Event Horizon Telescope réalise ses images à une longueur d'onde de 870 micromètres (345 GHz), atteignant une résolution angulaire de 19 microsecondes d'arc — la plus fine de tous les télescopes terrestres, à peu près ce qu'il faudrait pour lire le titre d'un journal posé à la surface de la Lune, depuis la Terre.
Une lueur ténue tout au bord
Même la frontière la plus absolue de la physique se révèle avoir une faille, du moins en théorie. Le rayonnement de Hawking est émis juste à l'extérieur de l'horizon des événements d'un trou noir, selon un modèle d'effets quantiques développé par Stephen Hawking en 1974. L'horizon lui-même ne laisse toujours rien ressortir — ce rayonnement est un processus quantique distinct se produisant juste à son seuil, et non de la lumière s'échappant de derrière la frontière.
C'est un rappel que l'horizon des événements, malgré son caractère définitif, n'est pas le dernier mot sur ce que fait un trou noir. C'est simplement la ligne au-delà de laquelle l'univers cesse de vous tenir informé.