Les trous noirs inondent l’Univers. Le plus proche n’est qu’à 1 500 années-lumière. Un géant, le Sagittaire A*, se trouve au centre de la Voie lactée à environ 25 000 années-lumière. Alors que votre voyageur de l’espace typique peut chercher une maison autour d’une étoile calme de type G, certains citoyens célestes sont assez courageux pour se réfugier autour d’un de ces monstres. Ce n’est pas une vie facile, c’est sûr, mais être voisins d’un trou noir signifie que vous en apprendrez presque certainement plus sur la nature fondamentale de la réalité que n’importe qui d’autre.
Intéressé? Ce qui suit est un guide de ce à quoi s’attendre si vous faites votre maison autour d’un trou noir. Bonne chance.
En arrivant pour la première fois à un trou noir, vous serez très probablement frappé par son orage total. Le trou noir lui-même est simplement un orbe noir insondable qui traîne quelque part au loin. Les trous noirs ne font rien d’autre que de s’asseoir et de graviter. En fait, ils sont connus pour être faciles à manquer : à moins qu’ils ne se nourrissent activement de matière ou qu’ils ne se penchent/bloquent par coïncidence la vue sur une étoile en arrière-plan, vous pouvez simplement les voir. Une fois que vous savez qu’il y en a un, vous pouvez commencer à vous amuser.
La taille de l’orbe est déterminée par la masse du trou noir檚 dans une équation célèbre dérivée pour la première fois par l’astronome allemand Karl Schwarzschild, et le rayon de cet orbe porte son nom (le rayon de Schwarzschild). Les plus petits trous noirs ont des rayons de Schwarzschild pas plus grands que Manhattan ; les plus grands pourraient englober l’ensemble de notre système solaire.
L’orbe lui-même représente l’horizon des événements du trou noir. C’est la région où l’attraction vers l’intérieur de la gravité devient si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper. Alors que les objets gravitationnels attirent constamment l’espace-temps vers eux, les trous noirs attirent si intensément que, à l’horizon des événements, l’espace-temps lui-même se précipite plus rapidement que la vitesse de la lumière. Si vous voulez vous échapper, vous devez lutter contre ce courant extrême de l’espace-temps. Puisque vous le pouvez, vous êtes piégé.
Au-delà de l’étrangeté de l’horizon des événements, cependant, il n’y a rien d’étrange à orbiter autour d’un trou noir.
C’est parce que la gravité n’est que la gravité. Votre attraction gravitationnelle vers le Soleil, par exemple, dépend entièrement de la masse du Soleil. Idem pour un trou noir. Vous pourriez remplacer notre Soleil par un trou noir d’une masse solaire et les orbites des planètes ne seraient absolument pas perturbées (bien sûr, toutes les plantes mourraient et tout gèlerait à cause du manque de lumière, mais c’est un problème différent).
Tant que vous êtes assez loin du trou noir lui-même, rien ne semble sortir de l’ordinaire. Vous pouvez maintenir une orbite stable autour d’un trou noir pour l’éternité si vous le souhaitez. Et heureusement pour tous ceux qui souhaitent s’y installer, nous pouvons calculer ce qu’est vraiment “assez loin”. C’est ce qu’on appelle l’orbite circulaire stable la plus interne (ISCO), ce qui est à peu près exactement ce que son nom implique. Pour un trou noir simple et non rotatif, c’est trois fois le rayon de Schwarzschild. À cette distance, les orbites circulaires stables sont impossibles et vous devez soit vous éjecter dans la liberté de l’espace vide, soit vous permettre de plonger sous l’horizon des événements.
Pour une situation plus réaliste où le trou noir tourne, l’ISCO est beaucoup plus difficile à calculer, et dépend de la vitesse à laquelle le trou noir tourne et si votre orbite va avec la rotation du trou noir (prograde) ou contre lui ( rétrograde). En général, cependant, tant que vous êtes à plus de 10 fois le rayon de Schwarzschild du trou noir, tout va bien.
Alors que les trous noirs eux-mêmes peuvent sembler ennuyeux, la vie autour d’eux est tout sauf. Et cela, parce que les trous noirs font une chose et la font bien tirer.
Quelle que soit la taille du trou noir, ils ont tendance à collecter des disques d’accrétion, quelque chose qu’ils partagent avec à peu près n’importe quel corps massif et compact, comme les étoiles à neutrons. Lorsque du gaz et de la poussière se frayent un chemin à proximité d’un trou noir, la conservation du moment angulaire écrase ce matériau sous la forme d’un disque mince et plat. Ce matériau peut provenir de n’importe où : des nuages de gaz interstellaires aléatoires, l’atmosphère d’un corps proche ou même les restes déchirés d’autres étoiles. Quelles que soient les origines, le matériau est déchiqueté en morceaux, et ces morceaux suivent des chemins sinueux, appelés lignes tendex, vers la gueule ouverte de l’horizon des événements.
La férocité de leurs environnements environnants dépend de la masse du trou noir. Le type de trou noir de loin le plus courant est relativement petit ; seulement quelques fois plus massive que le Soleil. Si un trou noir de cette masse se trouve en orbite autour d’une étoile compagne et que cette étoile s’approche trop près, le trou noir peut siphonner l’atmosphère de l’étoile. À mesure que le gaz s’approche du trou noir, il doit se comprimer pour atteindre le trou noir relativement petit, comme trop de personnes s’entassent dans un ascenseur ouvert. Lorsque le gaz se comprime, il se réchauffe et ce gaz chaud brille aux rayons X. C’est grâce à cette émission abondante de rayons X que les astronomes ont découvert notre tout premier trou noir, connu sous le nom de Cygnus X-1.
Les plus grands trous noirs, connus sous le nom de trous noirs supermassifs, sont vraiment gigantesques, dépassant facilement des centaines de millions voire des milliards de masses solaires. La physique de l’accrétion fonctionne également autour de ces monstres, à une échelle appropriée. Les disques d’accrétion autour des trous noirs supermassifs peuvent atteindre un million de Kelvin. À ces températures, elles émettent tellement de rayonnement qu’elles peuvent surpasser des millions de galaxies combinées.
Ces disques d’accrétion sont une malédiction et une bénédiction pour tous les visiteurs potentiels. Vous aurez besoin de cette énergie si vous voulez vous installer autour d’un trou noir, car le trou noir lui-même ne vous fournira aucun type de lumière si ce n’est pour le disque. Mais les forces gravitationnelles autour des trous noirs sont suffisamment puissantes pour littéralement déchirer les étoiles, et les champs électriques et magnétiques dans les disques d’accrétion sont parmi les plus puissants de tout l’Univers. Si vous êtes prêt à relever le défi de survivre dans ce genre d’environnement infernal, vous trouverez plus qu’assez d’énergie à revendre pour des générations.
Cependant, même les trous noirs nus peuvent vous fournir une source d’alimentation. Ce processus est connu sous le nom de mécanisme de Penrose en l’honneur de son découvreur, le physicien Roger Penrose, lauréat du prix Nobel. Bien que cela ne fonctionne que sur les trous noirs en rotation, ce n’est pas vraiment un problème. Les trous noirs se forment lorsque des étoiles massives meurent, et les étoiles tournent toujours, et cet élan est transféré au trou noir. L’Univers ne manque donc pas de trous noirs en rotation.
Le mécanisme de Penrose tire parti d’une facette particulière des trous noirs en rotation : l’ergosphère. Les objets en rotation traînent dans l’espace-temps qui les entoure, comme si vous essayiez de faire tourner une lourde table basse sur un tapis. Tous les objets font cela, car c’est une partie normale de la gravité. Mais comme tout le reste, les trous noirs le font en excès. Autour de l’horizon des événements proprement dit se trouve une région d’espace-temps en mouvement constant, entraînée en rotation par le trou noir lui-même.
Penrose a découvert que si vous laissez tomber un objet dans l’ergosphère et que vous le laissez ensuite se séparer, vous pouvez extraire de l’énergie. Vous laissez l’une des pièces tomber dans l’horizon des événements, pour ne plus jamais être revue. Vous laissez ensuite l’autre pièce s’échapper de l’ergosphère. La pièce qui s’échappe est boostée par l’espace-temps en rotation, et vous obtenez un gain net en énergie de la manœuvre. Le mécanisme Penrose tire l’énergie d’un trou noir en rotation, le ralentissant ainsi. Vous pouvez le faire pour toujours, bien sûr (le trou noir finit par s’arrêter de tourner), mais vu comment le mécanisme de Penrose est capable de lancer des matériaux jusqu’à des dizaines de milliers d’années-lumière des trous noirs géants, je ne m’inquiéterais pas.
Si l’énergie du disque d’accrétion ou du mécanisme de Penrose ne suffit pas, vous pouvez profiter d’une autre caractéristique des trous noirs : leur extrême gravité. Lorsque la lumière tombe dans un trou noir, son énergie augmente à mesure qu’elle s’approche de l’horizon des événements, tout comme une balle commence à accélérer en dévalant une colline. Si vous parvenez à vous tenir juste au-dessus de l’horizon des événements, vous serez baigné dans un essaim de rayonnement à haute énergie.