Parmi les documentaires sur l’astronomie disponibles sur le site d’Arte, il y en a un particulièrement intéressant. Intitulé Mystérieux trous noirs, ce documentaire américain d’une durée presque de deux heures est une coproduction d’Arte France.
L’intérêt de ce documentaire réside à la fois dans les explications pédagogiques que dans sa mise en perspective historique de la découverte des trous noirs et ce tout au long du documentaire.
Histoire de la découverte des trous noirs
L’histoire de la découverte des trous noirs est contée depuis l’élaboration par Einstein de la nouvelle théorie de la gravitation, la relativité générale. Alors qu’il était encore au front sous les bombes de la première guerre mondiale, l’astronome allemand Karl Schwarzschild a trouvé la solution exacte des équations de relativité d’Einstein. Et dans cette étude il s’intéresse à l’espace gravitationnel autour d’une masse ponctuelle, et démontre l’existence d’une frontière, qui porte depuis son nom le “rayon de Schwarzschild”, qui définit l’horizon d’un trou noir, distance au-delà de laquelle, ni la lumière, ni la matière ne peut échapper à la force gravitationnelle du trou noir.
Cette découverte restera à un stade théorique sous forme d’équations jusqu’à la première observation rendue possible pas le développement de la radio astronomie et de l’astronomie en rayons X (souvent abrégée en « astronomie X »). Paul Murdin travaillait à l’Observatoire royal de Greenwich. En 1970, juste avant que son contrat de 3 ans ne se termine à l’observatoire, il observe une étoile double dont une seulement des deux étoiles est visible. Cette étoile possède une période de révolution de 5,6 jours autour d’un objet invisible au télescope optique mais qui émet des rayons X. Les calculs par Paul Murdin de la masse de l’objet invisible donnent une estimation de 6 masses solaires. La théorie dit que la masse d’un trou noir stellaire, c-à-d issu de l’effondrement d’une étoile sur elle-même, doit avoir au minimum 3 masses solaires. Paul Murdin conclut alors qu’il venait de découvrir le premier objet candidat à être un trou noir. Il nomme cet objet Cygnus X-1, comme il le raconte dans le documentaire :
“Cygnus : la constellation du Cygne, “X” pour source de rayon X et “1” parce que c’était la première”.
Mark Reid, 40 ans plus tard, en 2011, fait une estimation qui donne une masse de Cygnus X-1 de 15 masses solaires. Cygnus X-1 est désormais considéré comme le premier trou noir confirmé.
Des explications pédagogiques
Le documentaire ne lésine pas sur les moyens pour nous donner tous les outils pour comprendre avec des images abondantes d’infographie :
- La fusion nucléaire ;
- La gravitation :
- La relativité générale ;
- Les ondes gravitationnelles ;
- L’électromagnétisme ;
- La façon de mesurer la distance des étoiles ;
- Les quasars
- la façon dont les astronomes déterminent la composition des étoiles.
Un siècle de recherche scientifique et d’expérimentation
La théorie sur les trous noirs aura finalement mis un siècle à être vérifiée par l’expérience. Bon nombre de scientifiques, et encore au début des années 2000, n’ont considéré les trous noirs que des objets mathématiques chimériques. Einstein lui-même n’y a jamais cru.
La mise en évidence, pour la première fois, des ondes gravitationnelles en 2015 par l’expérience américaine Ligo a permis non seulement la mise en évidence de ces ondes mais aussi qu’elles peuvent être directement générées par la fusion de deux trous noir.
Nous regrettons toutefois que le documentaire ne cite pas l’expérience européenne Advanced Virgo qui a permis, en 2017, conjointement avec le Ligo d’observer et, pour la première fois, à localiser, à l’aide de trois détecteurs, les ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs.
Le documentaire sur le site d’Arte.