Les trous noirs : une histoire surprenante et étrange

Les trous noirs, sujet d’étude des trois Nobels de physique couronnés pour l’édition 2020, sont la preuve de l’exactitude de la relativité d’Einstein, grâce à laquelle leur existence a pu être déduite. Et c’est presque vrai.

L’invention des trous noirs

John Michell

Il est communément admis que l’existence des trous noirs a été conceptualisée grâce à la relativité générale d’Einstein, et que c’est à cette occasion, en résolvant les équations, qu’ils ont été découverts. Et c’est en partie vrai, mais en partie seulement.

En réalité, le concept de « trou noir » a été imaginé un peu avant Einstein. Plus précisément 96 ans même avant la naissance du Physicien allemand, et 132 ans avant qu’il n’énonce sa théorie de la relativité, par John Michell.

John Michell était un révérend anglican, physicien de formation et géologue de profession. Il est considéré comme l’un des fondateurs de la sismologie moderne, grâce a sa théorie selon laquelle les mouvements du sol impliqués dans un séisme se propageaient à l’intérieur de la Terre sous forme d’ondes à partir d’une rupture dans la croûte terrestre. Idée qui lui vint après le tremblement de terre qui eut lieu à Lisbonne en 1755, le premier novembre, et qui n’inspira pas que lui, puisque Voltaire y trouva l’idée de son « Candide ».

Durant ses loisirs, John Michell pratiquait l’astronomie en amateur. En tant qu’observateur, mais aussi en tant que physicien. A cette époque, on connaît déjà les notions de vitesse de libération et la vitesse de la lumière.

La vitesse de libération : c’est la vitesse qu’un objet doit atteindre pour échapper à la gravité d’un corps. Pour la Terre, cette vitesse est de 11,2 kilomètres par seconde.

C’est tout naturellement que John Michell, après avoir observé des objets très grands et très massifs, se demande dans un article si certains ne peuvent pas avoir une gravité si élevée que même la lumière ne parviendrait pas à leur échapper. Il note que, ces objets devenant de fait invisibles, et donc inobservables, seuls leurs effets gravitationnels sur les corps alentour leur permettrait d’être décelés.

Malheureusement, cet article, trop théorique et venant de quelqu’un dont ce n’est pas la spécialité, en remporta aucun écho. État de fait d’autant plus dommageable que John Michell avait eu là deux intuitions absolument géniales.

Einstein et les trous noirs

Albert Einstein

Vient ensuite la théorie de la relativité, et ses équations, sur lesquelles les plus brillants esprits de la planète vont se pencher. C’est un autre allemand, Karl Schwarzschild, qui découvre une solution qui fait apparaître, au centre de certains corps, une singularité gravitationnelle, où le champ gravitationnel devient infini.

Inutile de s’étendre sur les pionniers de la théorie des trous noirs, ils trouveront leur place dans d’autres articles à venir, mais il reste deux points amusants à ce propos. Le terme « black hole » date de 1967 seulement, où il fut proposé par John Wheeler. Il ne tarda pas à s’imposer partout, sauf en France, où les physiciens estimaient que ce nom de « trou noir » ressemblait plus à une blague graveleuse qu’à un objet physique absolument fascinant. Ils rendirent les armes peu à peu au milieu des années 1970.

Et Einstein ? C’est le plus étonnant : bien que les trous noirs aient été l’aboutissement ultime des équations de la relativité générale, il ne crut jamais en leur existence, soulevant objections après objections. Il mourut en 1955, absolument persuadé que les solutions à ses équations relatives aux trous noirs étaient des curiosités mathématiques théorique amusantes, mais dénuées de réalité dans le monde physique.

Cinq ans plus tard, pourtant, l’existence des trous noirs ne fera plus aucun doute. Le premier trou noir probable, Cygnus X-1, est détecté en 1971. Beaucoup d’autres le seront par la suite, surtout grâce à l’observation de l’effet de leur gravité sur les astres alentours. Comme l’avait prédit John Michell.

Prix Nobel : trois spécialistes de la relativité et des trous noirs distingués