Publié le lundi 4 décembre 2006. 

La théorie de la Relativité Générale, achevée par Albert Einstein en 1916, prédit l’existence de trous noirs, des structures immenses dont la densité est si importante que toute l’énergie est concentrée en un minuscule point, une singularité, qui engloutit toute matière ou énergie passant à proximité. C’est d’ailleurs de là que vient le nom de "trou noir" : un tel astre n’émet pas de lumière puisqu’il absorbe tout. La théorie prédit, pour une masse donnée, le rayon en-dessous duquel un astre s’effondre en trou noir, appelé rayon de Schwarzschild [1] ; elle prédit aussi une vitesse maximale à laquelle il peut tourner sur lui-même sans violer les lois de la physique. Certains trous noirs ne tournent pas sur eux-mêmes (ils sont alors appelés trous noirs de Shwarzschild), et d’autres oui (appelés trous noirs de Kerr).

Le système GRS 1915+105 (vue d’artiste).

A droite, l’étoile dont la matière est attirée par le trou noir, à gauche. On reconnait le disque d’accrétion, et la matière éjectée à des vitesses relativistes par les "pôles" du trou noir. Crédits : NASA/Honeywell Max-Q Digital Group/Dana Berry.

Bien qu’ils n’émettent pas eux-mêmes de la lumière, il est cependant possible de détecter les trous noirs indirectement par la matière qui tourne autour en formant ce qu’on appelle un disque d’accrétion [2], ainsi que par les jets de matière émis à une vitesse approchant celle de la lumière suivant l’axe formé par ce disque [3] : toute cette matière étant fortement accélérée, elle émet de grandes quantités de rayonnements ayant un spectre bien particulier. L’un des trous noirs connus, découvert en 1994, est situé aux frontières de notre galaxie dans la constellation de l’Aigle (Aquila), à environ 35000 années-lumière de la Terre, et porte le doux nom de GRS 1915+105. Pesant environ 14 masses solaires, il attire inexorablement la matière de sa compagne, une étoile similaire à notre Soleil. Et c’est cette matière orbitant autour de lui qui, en émettant des rayonnements bien caractéristiques, nous est visible et nous renseigne sur le trou noir.

Une équipe du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (USA), en collaboration avec des chercheurs du MIT (USA) et du Max Planck-Institut für Astrophysik (Allemagne), a procédé à des mesures spectrales de rayons X sur le système GRS 1915+105. Connaissant le spectre du disque d’accrétion d’un trou noir, il est possible d’en déterminer le rayon central, correspondant au rayon de Schwarzshild du trou noir. Or, plus un trou noir tourne vite sur lui-même et plus son rayon est petit : connaissant ce dernier, il est alors possible de remonter à la vitesse de rotation de l’astre.

Les scientifiques ont ainsi déterminé que GRS 1915+105 tourne sur lui-même 950 fois par seconde, ce qui est un record. Son rayon calculé n’excède pas 42 km, et la matière située au bord de ce rayon a une vitesse qui égale 50% la célérité de la lumière. La vitesse maximale de rotation imposée par la Relativité est déterminée par l’impossibilité de dépasser la célérité de la lumière ; selon les équations relativistes, GRS 1915+105 tourne à 98% de cette vitesse limite, ce qui en fait le trou noir de Kerr le plus rapide jamais observé.

Selon les chercheurs, de tels trous noirs pourraient être chose courante dans l’Univers ; à part sa vitesse de rotation, ses caractéristiques ne sont pas si gargantuesques. Pour comparaison, le trou noir siégeant au centre de notre galaxie a une masse estimée entre 3,2 et 4 millions de masses solaires, un diamètre de moins d’un dixième du rayon de l’orbite terrestre, et ferait un tour sur lui-même en onze minutes.