Pourquoi un trou noir est-il vraiment invisible ?

Un trou noir est noir parce que rien de ce qu'il avale ne peut renvoyer de lumière pour nous en informer. C'est un objet céleste si compact que son champ gravitationnel empêche toute matière ou tout rayonnement, lumière comprise, de s'en échapper, et la frontière au-delà de laquelle on ne peut plus fuir s'appelle l'horizon des événements. La franchir ne produit aucun changement détectable sur place, mais ce qui la franchit reste piégé à l'intérieur.

L'idée est plus ancienne qu'on ne le croit. En 1784, l'astronome et pasteur anglais John Michell calcule qu'une étoile aussi dense que le Soleil mais 500 fois plus grande aurait une vitesse de libération supérieure à celle de la lumière : même la lumière ne pourrait pas s'en échapper. Il devine aussi, à juste titre, que de tels astres invisibles pourraient être repérés grâce à leur attraction sur des astres visibles voisins, et c'est ainsi que les astronomes les localisent aujourd'hui.

La relativité générale d'Einstein, publiée en 1915, donne à l'idée de vraies fondations en expliquant comment la matière façonne l'espace-temps. Quelques mois plus tard, Karl Schwarzschild résout les équations d'Einstein pour une masse sphérique et tombe sur un rayon où certains termes deviennent infinis ; personne, à l'époque, ne comprend ce qu'il signifie. Beaucoup de physiciens doutent que de tels objets puissent exister, et en 1939 Einstein lui-même tente de prouver qu'ils sont impossibles. Il faut attendre les années 1960 pour que la théorie montre que les trous noirs sont une prédiction générique de la relativité générale.

Aujourd'hui, on repère les trous noirs grâce à ce qui se passe autour d'eux : la matière qui tombe s'échauffe dans un disque d'accrétion lumineux, des étoiles en orbite autour d'un point invisible trahissent sa masse, et la fusion de deux trous noirs émet des ondes gravitationnelles. En 2019, l'Event Horizon Telescope publie la première image directe d'un trou noir et de ses environs, dans la galaxie M87 : un anneau de matière lumineuse autour d'une ombre sombre, puisque le trou lui-même n'émet rien.