Les trous noirs existent-ils ?

01Avant-propos : comment lire ce document

Vous avez forcément déjà entendu parler des trous noirs : ces objets « si denses que même la lumière ne peut pas s’en échapper », qu’on voit dans les films, les documentaires et les unes de journaux. On nous les présente comme un fait acquis, démontré, photographié. Mais derrière cette certitude apparente, une question simple est rarement posée : qu’a-t-on réellement observé, et qu’a-t-on seulement supposé ?

Ce document s’adresse à toute personne curieuse, qu’elle soit ou non familière de la physique ou des mathématiques. Son objectif est d’examiner de façon rigoureuse mais accessible une question que les médias traitent souvent comme résolue : les trous noirs existent-ils vraiment ?

Aucune connaissance technique n’est nécessaire pour suivre cet article. Chaque terme savant sera expliqué simplement, avec des images du quotidien, au fur et à mesure.

Pour y répondre honnêtement, nous devons d’abord apprendre à faire une distinction fondamentale, celle entre ce que l’on observe directement et ce que l’on en déduit. Un médecin qui mesure la fièvre d’un patient observe un fait : la température est de 39°C. Mais lorsqu’il dit « vous avez une infection bactérienne », il propose une interprétation. L’interprétation peut être juste. Elle peut aussi être fausse, ou partielle. En science, confondre les deux est une erreur grave.

Tout au long de ce texte, nous distinguerons systématiquement :

• Observation directe : ce que les instruments mesurent réellement.
• Mesure instrumentale : une donnée quantifiée produite par un appareil.
• Inférence : une conclusion tirée logiquement des données.
• Interprétation : une explication proposée dans le cadre d’une théorie.
• Modèle mathématique : une construction formelle qui décrit un phénomène, sans nécessairement le reproduire fidèlement.
• Affirmation spéculative : une hypothèse qui dépasse ce que les données permettent d’établir.

Nous ne cherchons pas ici à « défaire » la science conventionnelle, ni à promouvoir une théorie dissidente. Nous cherchons à exposer, avec la plus grande rigueur possible, ce que l’on sait réellement, ce qui reste incertain, et ce qui est contesté par des chercheurs sérieux.

02Qu’est-ce qu’un trou noir ? Les bases indispensables

1.1 Une idée ancienne, un nom récent

L’idée qu’un objet très massif pourrait retenir la lumière remonte au XVIII^e siècle. En 1783, le géologue anglais John Michell imagina ce qu’il appela une « étoile sombre » : un astre si massif que la vitesse de libération à sa surface dépasserait celle de la lumière. La même idée fut développée indépendamment par le mathématicien français Pierre-Simon de Laplace en 1796.

Mais ces premières intuitions étaient fondées sur la mécanique de Newton, dans laquelle la lumière est conçue comme un ensemble de particules soumises à la gravité. Avec la relativité générale d’Einstein, publiée en 1915, le cadre change radicalement. La gravité n’est plus une force au sens newtonien : elle est décrite comme une courbure de l’espace-temps, ce tissu à quatre dimensions dans lequel nous existons.

Pour comprendre sans équations : la courbure de l’espace-temps

Imaginez un drap tendu horizontalement. Si vous posez une boule de pétanque au centre, le tissu se déforme. Une bille roulant à proximité ne suit plus une ligne droite : elle dévie vers la boule. Ce n’est pas que la boule « attire » la bille ; c’est que la géométrie du tissu a changé.

La relativité générale dit que la matière fait exactement cela avec l’espace et le temps. Plus un objet est massif, plus il déforme l’espace-temps autour de lui. La lumière, qui suit toujours le chemin le plus court dans cet espace courbé, est donc également déviée par la gravité.

Un trou noir serait une région où la courbure est si extrême que même le chemin le plus court pour la lumière ne lui permet pas de s’échapper.

1.2 La solution de Schwarzschild et le rayon gravitationnel

En 1916, quelques semaines seulement après la publication des équations d’Einstein, un physicien et astronome allemand nommé Karl Schwarzschild — alors qu'il servait sur le front russe pendant la Première Guerre mondiale — trouva la première solution exacte de ces équations pour un objet sphérique et sans rotation. Cette solution prédit l’existence d’un « rayon critique », aujourd’hui appelé rayon de Schwarzschild (la taille critique en dessous de laquelle un objet, une fois comprimé, retiendrait la lumière).

En langage simple : si vous comprimez suffisamment n’importe quelle masse dans une sphère dont le rayon est inférieur à ce rayon critique, rien, pas même la lumière, ne peut plus s’en échapper. Pour le Soleil, ce rayon serait d’environ 3 kilomètres. Pour la Terre, il serait d’environ 9 millimètres.

Mais attention : le fait qu’une solution mathématique existe ne signifie pas que la nature produit réellement de tels objets. Les équations d’Einstein sont extrêmement complexes et leurs solutions peuvent décrire des situations physiquement impossibles, ou valables seulement dans des conditions idéales qui ne se réalisent jamais dans l’univers réel.

1.3 La définition précise d’un trou noir « au sens strict »

Lorsque les astrophysiciens parlent de trou noir, ils entendent généralement un objet possédant trois caractéristiques essentielles, telles que les résume Eric Lerner — physicien des plasmas américain, auteur de travaux critiques sur la cosmologie standard et fondateur de Lawrenceville Plasma Physics — dans son analyse « Les trous noirs existent-ils réellement ? » :

Première caractéristique : une concentration extrême de matière.

Deuxième caractéristique : un horizon des événements — c’est-à-dire une frontière imaginaire (une « ligne de non-retour ») au-delà de laquelle, dit-on, aucune information ne peut plus revenir vers l’extérieur.

Troisième caractéristique : une singularité centrale — c’est-à-dire un point unique, sans dimensions, où la densité de matière deviendrait mathématiquement infinie (un endroit où les équations « explosent », comme une division par zéro).

C’est précisément sur ces trois caractéristiques que portent les débats que nous allons examiner. La première, la concentration extrême de matière, est largement confirmée par les observations. Les deux autres — l’horizon des événements et la singularité — n’ont jamais été observées directement et reposent sur des extrapolations théoriques.

03Einstein contre les trous noirs : un épisode oublié

2.1 L’article d’Einstein de 1939

En 1939, Albert Einstein publie dans les Annals of Mathematics un article intitulé : « On a Stationary System with Spherical Symmetry Consisting of Many Gravitating Masses ». Cet article est aujourd’hui l’un des documents les plus souvent cités dans les débats sur les trous noirs — mais rarement lu dans sa version originale.

La question qu’Einstein se pose est fondamentale : même si les équations de la relativité générale admettent des solutions mathématiques qui semblent conduire à des objets de densité infinie, de tels objets peuvent-ils réellement se former dans la nature ?

Pour répondre, Einstein étudie non pas une masse unique en effondrement, mais un système de particules en orbite — une sorte d’amas stellaire idéalisé. Il montre que, dans ce système, la matière ne peut pas se concentrer arbitrairement. Sa conclusion est explicite : « La singularité de Schwarzschild n’apparaît pas parce que la matière ne peut pas être concentrée arbitrairement. »

Ce qu’Einstein dit réellement

Einstein ne dit pas que les équations de la relativité générale sont fausses. Il dit que les conditions physiques nécessaires pour former une singularité — c’est-à-dire un point de densité infinie — ne peuvent pas être atteintes dans la nature.

Il précise que les particules en orbite ne peuvent pas tomber en deçà de certaines limites sans acquérir une vitesse supérieure à celle de la lumière, ce qui est physiquement impossible selon sa propre théorie.

Sa conclusion n’est donc pas une réfutation mathématique, mais une argumentation sur les conditions initiales physiques réalisables dans l’univers réel.

2.2 La portée et les limites de l’argument d’Einstein

Soyons précis sur la nature de cet argument. Einstein travaille dans un cadre particulier : des particules en orbite circulaire, une symétrie sphérique parfaite, une absence de pression interne. Ces hypothèses simplifient énormément le problème mais s’éloignent des conditions réelles d’un effondrement stellaire.

Les partisans des trous noirs rétorquent que l’argument d’Einstein ne s’applique pas aux scénarios d’effondrement gravitationnel. Une étoile qui a épuisé son combustible nucléaire n’est plus en orbite : elle s’effondre sous son propre poids, et les objections d’Einstein, selon eux, ne s’appliquent pas à ce cas précis.

Il est donc honnête de dire que l’article de 1939 n’est pas une réfutation définitive de tous les scénarios de formation de trous noirs. Il montre cependant que le fondateur même de la relativité générale estimait qu’il fallait distinguer soigneusement les solutions mathématiques de la théorie et les objets physiquement réalisables.

2.3 Le paradoxe du temps infini : Oppenheimer et Snyder

Quelques semaines avant la publication d’Einstein, deux physiciens américains, J. Robert Oppenheimer et Hartland Snyder, publient leur propre étude sur l’effondrement gravitationnel. Leur article, titré « On Continued Gravitational Contraction », est considéré comme le fondement théorique de la physique des trous noirs.

Leur modèle repose sur plusieurs hypothèses très simplificatrices : symétrie sphérique parfaite, pas de pression interne (ils étudient une « poussière » sans pression), pas de rotation, pas de champ électromagnétique. Dans ce cadre idéalisé, ils montrent que l’effondrement conduit à une singularité.

Mais leur résultat contient un élément souvent oublié, que Lerner souligne dans son analyse : il existe deux façons de mesurer le temps dans ce problème, et elles donnent des résultats radicalement différents.

Pour l’observateur qui tombe avec l’étoile : l’effondrement est terminé en un temps fini, peut-être de l’ordre d’une journée pour une étoile typique.

Pour l’observateur extérieur qui regarde de loin : l’étoile semble se rapprocher asymptotiquement de son rayon gravitationnel sans jamais l’atteindre complètement. Le temps nécessaire à la formation complète du trou noir est, pour cet observateur, mathématiquement infini.

Ce paradoxe n’est pas une anecdote. Il soulève une question physique profonde : si la formation complète d’un horizon des événements exige un temps infini pour tout observateur extérieur, peut-on affirmer qu’un trou noir « existe » aujourd’hui dans notre univers, qui a une histoire finie ?

L’analogie du « presque trou noir »

Imaginez quelqu’un qui court vers vous à 99,9 % de la vitesse de la lumière. Du point de vue de la physique, il ne l’a pas tout à fait atteinte. Mais pour toutes fins pratiques, il se comporte presque comme s’il l’avait atteinte.

Les défenseurs des trous noirs disent que la même logique s’applique : un objet qui met un temps astronomiquement long à former son horizon est, pour toutes fins pratiques, un trou noir.

Les critiques répondent qu’en science, « presque » n’est pas « exactement », et que cette distinction peut avoir des conséquences physiques réelles, notamment lorsqu’on intègre les effets quantiques.

04Les hypothèses cachées : ce que le modèle standard suppose

3.1 L’hypothèse de symétrie parfaite

Les solutions mathématiques les plus connues en physique des trous noirs — la solution de Schwarzschild pour un trou noir sans rotation, la solution de Kerr pour un trou noir en rotation — reposent toutes sur une hypothèse de symétrie parfaite. La matière est distribuée de façon exactement sphérique ou axiale, sans aucune irrégularité.

Or, dans la nature, cette symétrie parfaite n’existe jamais. Les étoiles réelles tournent, ont des champs magnétiques, des irrégularités de densité, des interactions avec leur environnement. La question est donc : les résultats obtenus dans le cas idéal symétrique restent-ils valides quand on introduit des perturbations réalistes ?

Wolfgang Kundt, professeur d’astrophysique à l’Université de Bonn, souligne dans son article « Astrophysics without Black Holes » (2013) que les théorèmes de singularité de Roger Penrose (prix Nobel 2020, mathématicien et physicien britannique) et Stephen Hawking (physicien théoricien de Cambridge, célèbre pour ses travaux sur la cosmologie) — qui « prouvent » que l’effondrement doit conduire à une singularité — reposent sur des hypothèses très restrictives.

Selon des calculs analytiques plus récents cités par Kundt, l’effondrement gravitationnel complet conduit généralement non pas à des trous noirs mais à des singularités nues, sauf pour un sous-ensemble de configurations initiales d’une symétrie extrême, de mesure nulle parmi toutes les configurations possibles.

Qu’est-ce qu’une singularité nue ?

Un trou noir classique possède un horizon des événements : une frontière qui cache la singularité centrale au monde extérieur. Rien de ce qui se passe à l’intérieur ne peut être observé.

Une singularité nue, au contraire, est une singularité mathématique non cachée par un horizon. Elle serait en principe observable de l’extérieur.

La « censure cosmique » de Penrose est l’hypothèse selon laquelle la nature interdit les singularités nues. Mais cette hypothèse n’a pas été prouvée rigoureusement, et les calculs récents cités par Kundt suggèrent qu’elle ne tient pas pour des données initiales génériques.

En pratique, cela signifie que même si l’on accepte l’existence de singularités dans la nature, il n’est pas établi qu’elles soient nécessairement cachées derrière un horizon comme dans un trou noir classique.

3.2 L’hypothèse de pression nulle

Le modèle d’Oppenheimer et Snyder de 1939, fondement de la théorie du trou noir, suppose que la pression à l’intérieur de l’étoile en effondrement est nulle. Les auteurs eux-mêmes admettent dans leur article qu’ils « n’ont pas pu intégrer les équations sauf dans le cas où la pression est posée égale à zéro ».

Cette hypothèse est commode mathématiquement mais physiquement irréaliste. Les étoiles réelles ont une pression interne qui s’oppose à l’effondrement. La question est de savoir si cette pression peut, sous certaines conditions, arrêter l’effondrement avant qu’une singularité ou un horizon ne se forme.

La réponse conventionnelle est non : au-delà d’une certaine masse critique (environ deux à trois fois la masse du Soleil pour une étoile à neutrons), aucune forme connue de pression ne peut arrêter l’effondrement.

Mais des théories alternatives, comme la Relativité Générale Pseudo-Complexe de Walter Greiner — l'un des physiciens théoriciens les plus influents du XX^e siècle, père fondateur de la physique des ions lourds — et de son équipe, suggèrent que des effets quantiques non pris en compte dans la relativité générale classique pourraient produire une pression répulsive supplémentaire qui arrêterait l’effondrement.

3.3 L’hypothèse de l’absence de rayonnement

Un des problèmes les plus profonds de la physique des trous noirs est la question de la rétroaction : qu’arrive-t-il lorsqu’on tient compte du rayonnement émis par l’étoile elle-même pendant son effondrement ?

En 1974, Stephen Hawking montra que les trous noirs devraient émettre un faible rayonnement thermique (le « rayonnement de Hawking », une sorte de très légère « évaporation » de chaleur) dû à des effets quantiques près de l’horizon. Mais ce rayonnement est généralement négligé dans les calculs d’effondrement classique : on suppose que l’étoile s’effondre « en silence », sans perdre de masse par rayonnement pendant le processus.

Or, si ce rayonnement est réel — et la physique théorique moderne le considère comme bien établi — alors il doit rétroagir sur l’effondrement lui-même. C’est précisément ce qu’examine Laura Mersini-Houghton dans son article de 2014 : « Backreaction of Hawking Radiation on a Gravitationally Collapsing Star ».

Sa conclusion est remarquable : lorsqu’on inclut la rétroaction du rayonnement négatif à l’intérieur de l’étoile en effondrement, celle-ci rebondit à un rayon fini avant que l’horizon et la singularité n’aient eu le temps de se former. L’étoile ne devient jamais un trou noir au sens strict.

Le paradoxe de la rétroaction, expliqué simplement

Imaginez une étoile qui s’effondre comme une boule de neige qui se comprime. Pendant qu’elle se comprime, elle émet un rayonnement — comme si la boule de neige perdait de la matière pendant sa compression.

Si cette perte est suffisamment importante, la boule de neige n’atteint jamais la densité nécessaire pour former un trou noir. Elle s’arrête avant.

Mersini-Houghton montre mathématiquement que le rayonnement de Hawking produit exactement cet effet : son énergie négative à l’intérieur de l’étoile viole la condition d’énergie qui est une hypothèse nécessaire des théorèmes de singularité de Penrose et Hawking.

Autrement dit : la théorie quantique des champs, appliquée correctement à l’effondrement, interdirait la formation même de la singularité et de l’horizon.

3.4 Les hypothèses épistémologiques : l’extrapolation au-delà de la validité

Un problème de fond concerne la validité du modèle théorique dans des conditions extrêmes. La relativité générale a été testée avec succès dans notre système solaire : déviation de la lumière par le Soleil, avance du périhélie de Mercure, décalage gravitationnel des fréquences, retard des signaux radio. Ces tests confirment la théorie dans des régimes de gravité modérée.

Mais un trou noir représente un régime de gravité extrême, incomparablement plus intense que tout ce qui a été testé. Extrapoler les équations de la relativité générale jusqu’à une singularité, c’est supposer que la théorie reste exacte dans des conditions qui sont des milliards de milliards de fois plus extrêmes que celles où elle a été vérifiée.

C’est un acte de foi théorique, non une certitude expérimentale.

Anatoly Logunov — l'un des physiciens théoriciens les plus éminents de Russie, directeur de l'Institut de physique des hautes énergies de Protvino et membre de l'Académie des sciences — et ses collaborateurs, dans leur article de 1988 publié dans Uspekhi Fizicheskikh Nauk, formulent cette critique clairement : la relativité générale elle-même contient des ambiguïtés mathématiques fondamentales qui rendent ses prédictions non uniques dans certaines configurations.

05La théorie relativiste de la gravitation : une alternative sérieuse

4.1 Les problèmes fondamentaux de la relativité générale selon Logunov

Anatoly Logunov est l’un des physiciens théoriciens les plus éminents de la Russie du XX^e siècle, directeur de l’Institut de physique des hautes énergies de Protvino et membre de l’Académie des sciences de l’URSS. À partir des années 1980, il développe avec ses collaborateurs une critique approfondie des fondements de la relativité générale d’Einstein.

Sa critique porte sur trois points essentiels, exposés dans deux articles : l’article de 1988 (avec Loskutov et Mestvirishvili) et l’article de 1995 publié dans Uspekhi Fizicheskikh Nauk.

Premier problème : l’absence de lois de conservation

Dans toutes les autres théories physiques — électromagnétisme, mécanique quantique, physique des particules — il existe des lois de conservation strictes pour l’énergie, l’impulsion et le moment cinétique. Ces lois ne sont pas des conventions : elles reflètent des symétries fondamentales de l’espace-temps (c’est le théorème de Noether).

Or, Logunov démontre rigoureusement que la relativité générale d’Einstein, en raison de son invariance générale, ne possède pas de telles lois de conservation au sens strict. Elle n’a qu’un pseudo-tenseur énergie-impulsion, dont les composantes dépendent du choix du système de coordonnées et peuvent être annulées à tout point par un changement de coordonnées approprié.

Hilbert lui-même, en 1917, avait déjà relevé ce problème fondamental.

Pourquoi c’est important

Si l’énergie d’un système physique n’est pas définie de façon unique, indépendante du référentiel, alors la théorie n’est pas une vraie théorie physique au sens où nous l’entendons pour l’électromagnétisme ou la mécanique quantique.

Cela signifie aussi que les « ondes gravitationnelles » prédites par la relativité générale sont, dans ce cadre, de nature ambiguë : leur énergie peut être annulée par un choix de coordonnées.

Logunov et ses collaborateurs montrent en 1982 que le rayonnement gravitationnel défini par Einstein peut effectivement être annulé par un choix approprié de coordonnées autorisées.

Cela remettrait en question l’interprétation physique des signaux détectés par LIGO, bien que ce point reste débattu.

Deuxième problème : la non-unicité des prédictions

Logunov démontre dans son article de 1988 quelque chose de troublant : les équations de Hilbert-Einstein, pour un même système physique donné, admettent plusieurs solutions mathématiquement distinctes qui font des prédictions observationnelles différentes.

Pour le retard gravitationnel — un effet confirmé expérimentalement par Shapiro en 1971 — il existe deux métriques différentes (une « métrique » est la règle mathématique qui mesure les distances et les durées dans un espace-temps donné) compatibles avec les équations d’Einstein qui donnent des prédictions numériquement différentes. L’une correspond aux observations, l’autre non. Mais les deux sont des solutions valides des équations d’Einstein.

Troisième problème : l’incompatibilité avec le principe de causalité

La relativité générale autorise, dans certaines solutions, des topologies de l’espace-temps qui violent la causalité : trajectoires fermées dans le temps, régions déconnectées de l’univers observable, extensions maximales de l’espace-temps (l’espace de Kruskal) qui n’ont aucune réalité physique vérifiable.

Logunov introduit un « principe de causalité » qui exige que le cône de lumière de l’espace-temps effectif ne sorte jamais du cône de lumière de l’espace de Minkowski. Ce principe élimine toutes les solutions « exotiques » — en particulier les solutions contenant des trous noirs, des trous de ver et des singularités.

4.2 La Théorie Relativiste de la Gravitation (TRG) : les grandes lignes

Face à ces problèmes, Logunov propose une théorie alternative : la Théorie Relativiste de la Gravitation (TRG). L’idée centrale est de traiter le champ gravitationnel comme un vrai champ physique de type Faraday-Maxwell, déployé dans un espace-temps de Minkowski fixe (l’espace-temps plat de la relativité restreinte).

L’analogie électromagnétique

En électromagnétisme, un champ électrique existe dans l’espace vide. Il agit sur les charges électriques sans que l’espace lui-même soit modifié.

Dans la TRG de Logunov, le champ gravitationnel fonctionne de la même façon : il existe dans un espace-temps plat de fond, mais son action sur la matière produit les mêmes effets que la courbure de l’espace-temps décrite par Einstein.

La différence cruciale est que cet espace de fond fixe permet de définir des lois de conservation strictes — exactement comme en électromagnétisme.

L’espace-temps « courbé » que nous mesurons avec nos instruments n’est pas l’espace-temps fondamental, mais un espace effectif créé par le champ gravitationnel — comme un mirage créé par la chaleur sur une route.

La TRG prédit les mêmes résultats que la relativité générale pour tous les phénomènes testés dans le système solaire. Elle est donc indiscernable de la relativité générale dans ces régimes.

Sur l’effondrement gravitationnel : dans la TRG, l’effondrement d’un corps sphérique s’arrête asymptotiquement juste au-delà du rayon de Schwarzschild et ne conduit jamais à une singularité ni à un horizon des événements. Les trous noirs sont rigoureusement exclus.

Sur la cosmologie : la TRG prédit un univers plat évoluant cycliquement entre une densité maximale et une densité minimale, avec conservation stricte de l’énergie.

4.3 Portée et limites de la TRG

La TRG de Logunov est une théorie sérieuse, publiée dans des revues scientifiques révisées par des pairs, développée par des physiciens de premier plan. Elle n’est pas une théorie marginale ou pseudo-scientifique.

Cependant, elle fait l’objet de débats dans la communauté scientifique. Certains physiciens, notamment Zel’dovich et Grishchuk, ont publié des critiques de la TRG, auxquelles Logunov a répondu.

Un point crucial : la TRG n’a pas encore été soumise à des tests observationnels qui permettraient de la distinguer formellement de la relativité générale dans les régimes extrêmes.

06La Relativité Générale Pseudo-Complexe : une autre voie

5.1 L’approche de Walter Greiner et ses collaborateurs

Walter Greiner est l’un des physiciens théoriciens les plus influents du XX^e siècle, père fondateur de la physique des ions lourds. Dans son article de 2014, il expose une extension de la relativité générale qu’il nomme Relativité Générale Pseudo-Complexe (pc-RG).

L’idée de base est de remplacer les nombres réels ordinaires par des nombres « pseudo-complexes », c’est-à-dire des nombres possédant une partie réelle et une partie « pseudo-imaginaire » (avec I² = +1 au lieu de i² = -1).

Comprendre sans les maths

En relativité générale classique, les coordonnées de l’espace-temps sont des nombres réels ordinaires. Greiner les remplace par des nombres « doublement réels ».

Cette extension fait apparaître automatiquement un terme supplémentaire dans les équations d’Einstein, interprété comme de l’énergie noire distribuée dans l’espace autour de chaque masse.

Ce terme d’énergie noire crée une force répulsive qui s’oppose à l’effondrement gravitationnel extrême. Plus la masse se concentre, plus cette force répulsive augmente.

Le résultat : l’effondrement ne peut jamais produire une singularité ni un horizon des événements. L’objet final est un objet compact très dense, mais avec une surface réelle.

Et, contrairement à un trou noir, la lumière peut encore, en principe, s’en échapper.

5.2 Les prédictions observationnelles de la pc-RG

La pc-RG fait des prédictions observationnelles qui diffèrent de celles de la relativité générale classique, et qui sont en principe testables.

Greiner et ses collaborateurs montrent que dans la pc-RG, la fréquence orbitale d’une particule en orbite circulaire autour d’un objet compact présente un comportement différent : elle augmente d’abord quand on s’approche de l’objet, atteint un maximum, puis diminue à nouveau — ce qui ne se produit pas dans la relativité générale classique.

Le décalage vers le rouge est prédit par la pc-RG comme ne devenant jamais infini (contrairement à ce que prédit la relativité générale à l’horizon des événements).

Ces prédictions sont testables, en principe, par des observations des quasi-oscillateurs périodiques (QPO) dans les noyaux galactiques actifs. Les résultats actuels semblent compatibles avec la pc-RG, mais la précision des instruments ne permet pas encore une discrimination définitive.

5.3 Les étoiles à neutrons massives comme test

La pc-RG prédit que des étoiles à neutrons de masse bien supérieure à la limite de Oppenheimer-Volkoff sont possibles. Dans la relativité générale classique, au-delà d’environ deux à trois masses solaires, une étoile à neutrons doit s’effondrer en trou noir. Dans la pc-RG, des étoiles à neutrons pouvant atteindre quatre à six masses solaires sont stables.

L’observation publiée en 2013 d’une étoile à neutrons de 2,01 masses solaires (Antoniadis et al., citée par Greiner) était à l’époque au-delà des prédictions de certains modèles standards. La pc-RG l’accommode naturellement. Des observations futures d’étoiles à neutrons encore plus massives constitueraient un test discriminant.

07Les observations : que voit-on réellement ?

6.1 Le problème de la distinction entre observation et inférence

Il est indispensable de distinguer clairement ce que les instruments mesurent de ce que les astronomes en concluent. Lerner formule cette distinction avec une précision que nous adoptons ici.

Les astronomes observent : des mouvements d’étoiles, des émissions de rayonnement à différentes fréquences, des jets de matière, des effets gravitationnels (déflexion de la lumière, décalage vers le rouge), des émissions d’ondes gravitationnelles.

À partir de ces observations, ils infèrent l’existence d’objets extrêmement massifs et compacts. Mais l’inférence du trou noir au sens strict — avec horizon des événements et singularité — est une étape supplémentaire qui dépend du cadre théorique choisi.

Ce que l’Event Horizon Telescope a réellement photographié

Les célèbres images de M87* (2019) et de Sgr A* (2022) montrent un anneau de lumière avec une région sombre au centre. Cette région sombre est appelée « l’ombre du trou noir ».

Ce que les instruments mesurent réellement : la distribution de l’émission radio à 1,3 mm de longueur d’onde, avec une résolution angulaire d’environ 20 microsecondes d’arc.

Ce que les astronomes en déduisent : la présence d’un objet d’environ 6,5 milliards de masses solaires (M87*) ou 4 millions de masses solaires (Sgr A*).

Ce que les images ne montrent pas directement : un horizon des événements, une singularité, la disparition définitive d’information.

Comme le note Lerner : l’image elle-même est réelle, mais son interprétation comme preuve d’un trou noir au sens strict reste dépendante du modèle.

6.2 Les étoiles orbitant autour de Sgr A* : argument fort mais non décisif

L’observation la plus frappante est le suivi des étoiles de l’amas S, en particulier l’étoile S2, qui orbite autour de Sgr A* avec une période d’environ seize ans. La précision de ces mesures, obtenues sur plus de vingt-cinq ans par les équipes de Reinhard Genzel et Andrea Ghez (prix Nobel 2020), est remarquable.

Ces observations constituent une inférence très forte que l’objet au centre de notre galaxie a une masse d’environ 4 millions de masses solaires concentrée dans un volume très petit.

Mais Kundt souligne un point important : l’orbite de S2 montre une précession du périastre de 3 degrés après sa première révolution, ce qui est compatible avec une distribution de masse étendue (type disque de Maclaurin) plutôt que nécessairement avec un objet ponctuel comme un trou noir.

6.3 Quinze raisons de douter que Sgr A* soit un trou noir

Kundt liste dans son article de 2013 quinze raisons pour lesquelles le centre galactique Sgr A* ne correspond pas à ce qu’on attendrait d’un trou noir supermassif. Nous en retenons les plus significatives.

La luminosité et les jets : Sgr A* est lumineux, turbulent, émet des jets relativistes jumeaux et produit d’immenses « bulles de Fermi ». Or, un trou noir ne peut pas éjecter de matière : tout ce qui franchit l’horizon est absorbé définitivement.

Les jets, eux, requièrent une surface physique sur laquelle la matière rebondit — une surface que les trous noirs ne possèdent justement pas.

La diminution de masse des centres galactiques : le relevé SDSS montre que les masses des centres galactiques ont diminué monotoniquement depuis z = 4,5. Si ces centres étaient des trous noirs, ils auraient tendance à croître par accrétion (en avalant peu à peu la matière qui les entoure), pas à diminuer.

La survie du nuage G2 : l’approche du nuage de gaz G2 vers Sgr A* en 2013-2014 était attendue comme un test crucial. Si Sgr A* était un trou noir, le nuage aurait dû être absorbé. Il a survécu.

6.4 Les ondes gravitationnelles : preuve ou inférence ?

La détection des ondes gravitationnelles par LIGO en 2015 a été présentée comme une confirmation directe de l’existence des trous noirs. Un signal a été interprété comme la fusion de deux trous noirs d’environ 29 et 36 masses solaires.

Ce qui a été mesuré est une déformation de l’espace-temps de l’ordre de 10⁻²¹ sur les bras kilométriques des interféromètres. C’est une mesure instrumentale remarquable.

L’interprétation de ce signal comme la fusion de deux trous noirs est le résultat d’une comparaison avec des modèles numériques. La question est : existe-t-il d’autres configurations physiques qui produiraient un signal identique ou indiscernable ?

Logunov souligne que sa TRG prédit également des ondes gravitationnelles, mais leur caractérisation mathématique diffère. Les instruments actuels ne permettent pas encore de distinguer les deux prédictions.

08Les alternatives : d’autres objets pour les mêmes observations

7.1 Le catalogue des alternatives

L’existence d’objets très massifs et très compacts au centre des galaxies n’est pratiquement pas contestée. Ce qui est discuté, c’est la nature précise de ces objets. Plusieurs modèles alternatifs ont été proposés sérieusement dans la littérature scientifique.

Les gravastars : proposés par Mazur et Mottola (2001, 2004), ce sont des objets compacts dont l’intérieur est rempli de condensat de Bose-Einstein, entouré d’une coque d’énergie noire. Ils n’ont pas d’horizon des événements ni de singularité.

Les disques en combustion nucléaire de Kundt : des disques de matière en combustion nucléaire active qui éjectent de la matière vers l’extérieur, produisant les jets et les structures observées sans nécessiter de trou noir.

Les objets ultra-compacts (UCOs) : des objets dont le rayon est légèrement supérieur au rayon de Schwarzschild mais qui possèdent une surface physique. Ils émettent de la lumière et peuvent produire des images très similaires à celles d’un trou noir.

Les étoiles à neutrons massives dans la pc-RG : dans la théorie de Greiner, des étoiles à neutrons de masse très élevée sont stables et ressemblent extérieurement à des trous noirs sans en être.

Les modèles plasma-magnétiques : Lerner suggère que les effets des champs magnétiques et des courants électriques dans les plasmas astrophysiques pourraient arrêter l’effondrement à des densités élevées mais finies.

7.2 Le problème du moment angulaire

Lerner soulève un problème physique souvent sous-estimé : le problème du moment angulaire. Tout corps en rotation possède un moment angulaire. Quand ce corps se contracte, son moment angulaire se conserve et sa vitesse de rotation augmente — c’est le même principe qui fait tourner plus vite une patineuse quand elle rapproche ses bras.

Pour qu’un objet s’effondre jusqu’à atteindre les densités d’un trou noir, il doit perdre une quantité énorme de moment angulaire. Les mécanismes conventionnels ne sont pas toujours suffisants pour expliquer la formation d’objets aussi compacts que les trous noirs supermassifs en un temps cosmologique raisonnable.

Ce problème n’est pas résolu dans le modèle standard. Il est simplement contourné par des hypothèses ad hoc sur les mécanismes de dissipation.

09Les problèmes épistémologiques fondamentaux

8.1 Le problème de la circularité

L’un des problèmes épistémologiques les plus sérieux est la circularité du raisonnement. Les modèles utilisés pour interpréter les observations sont construits dans le cadre de la relativité générale avec l’hypothèse que des trous noirs existent. Quand ces modèles « confirment » les observations, il est difficile de savoir si cette confirmation reflète la réalité physique ou simplement la cohérence interne du modèle.

Concrètement : l’image de M87* a été comparée à des milliers de simulations numériques basées sur la magnétohydrodynamique relativiste (GRMHD). L’accord est présenté comme une confirmation des trous noirs. Mais ces simulations supposent déjà l’existence d’un trou noir.

8.2 Le problème de la non-falsifiabilité

Par définition, l’intérieur d’un trou noir — la région au-delà de l’horizon des événements — ne peut jamais être observé de l’extérieur. La singularité, si elle existe, est à jamais inaccessible à toute mesure. Est-il scientifique de postuler l’existence d’entités dont certaines propriétés essentielles sont par définition non observables et non testables ?

Ce débat n’est pas tranché. Il est cependant important de reconnaître que les aspects les plus spectaculaires de la théorie des trous noirs — la singularité, l’horizon des événements, la disparition définitive de l’information — sont précisément ceux qui sont les moins accessibles à la vérification expérimentale.

8.3 Le rôle des théorèmes de singularité

Les théorèmes de singularité de Penrose (1965) et Hawking-Penrose (1970) sont souvent présentés comme des preuves mathématiques de l’existence des singularités dans la nature. Il est crucial de comprendre ce que ces théorèmes disent réellement.

Ces théorèmes prouvent que sous certaines conditions — appelées conditions d’énergie — les équations de la relativité générale impliquent nécessairement l’existence de géodésiques incomplètes. Ils ne prouvent pas que ces conditions sont réellement satisfaites dans la nature.

Or, la physique quantique des champs permet l’existence d’énergie négative locale (effets Casimir, fluctuations quantiques du vide, rayonnement de Hawking négatif). Mersini-Houghton exploite précisément ce point pour invalider les conclusions des théorèmes.

Les théorèmes de singularité : ce qu’ils prouvent réellement

Un théorème de singularité dit : « Si les hypothèses A, B et C sont satisfaites, alors une singularité doit exister. »

Ce qu’il ne dit pas : « Les hypothèses A, B et C sont satisfaites dans la nature. »

La question physique réelle est de savoir si ces hypothèses sont des approximations acceptables de la réalité physique, ou si des effets réels les violent avant que la singularité n’ait le temps de se former.

Plusieurs approches (Mersini-Houghton, Greiner, Logunov, Joshi) suggèrent que ces hypothèses sont violées dans les conditions physiques réalistes.

8.4 Le problème de la sociologie de la science

Les trous noirs sont aujourd’hui un objet central de l’astrophysique moderne. Des milliards de dollars ont été investis dans des instruments (LIGO, Event Horizon Telescope, Chandra, XMM-Newton) dont les résultats sont interprétés dans le cadre de la physique des trous noirs. Des prix Nobel ont été attribués à des travaux directement liés à cette théorie.

Il serait intellectuellement honnête de reconnaître qu’il existe des pressions institutionnelles qui favorisent les interprétations compatibles avec le modèle dominant. Cela ne signifie pas que le modèle dominant est faux. Cela signifie simplement que la confiance absolue dans ce modèle n’est pas entièrement justifiée par la seule logique scientifique.

10Synthèse critique : ce que nous savons, ce que nous inférons, ce qui reste ouvert

9.1 Ce qui est solidement établi

Il existe au centre de nombreuses galaxies, dont la nôtre, des objets très massifs (de millions à milliards de masses solaires) concentrés dans des volumes très petits. C’est une inférence très solide, fondée sur des mesures indépendantes et convergentes.

Les ondes gravitationnelles existent. Leur détection par LIGO/Virgo est une observation instrumentale directe d’une déformation de l’espace-temps. Que ces ondes proviennent de la fusion de deux trous noirs plutôt que de deux objets compacts sans horizon est une interprétation, mais c’est l’interprétation la plus naturelle dans le cadre de la relativité générale.

La relativité générale fonctionne remarquablement bien dans les régimes modérés. C’est la meilleure théorie de la gravitation dont nous disposons pour ces régimes.

9.2 Ce qui reste une inférence ou une interprétation

L’existence d’un horizon des événements n’a jamais été démontrée directement. Par définition, il ne peut pas l’être, puisqu’aucun signal ne peut en sortir.

L’existence d’une singularité est entièrement théorique. Elle repose sur l’extrapolation des équations de la relativité générale dans un régime où elles ne peuvent plus être valides.

La formation effective de trous noirs au sens strict dépend d’hypothèses simplificatrices — symétrie parfaite, pression nulle, absence d’effets quantiques — qui ne sont jamais parfaitement satisfaites. Plusieurs approches théoriques sérieuses suggèrent que ces simplifications masquent des effets physiques qui empêchent la formation d’un horizon.

9.3 Les questions ouvertes

La question de la singularité est fondamentalement liée au problème non résolu de la gravitation quantique. Toute conclusion définitive requiert une théorie de la gravitation quantique que nous n’avons pas encore.

La question du paradoxe de l’information est activement débattue depuis 1974. Le paradoxe du « mur de feu » soulevé en 2012 par AMPS suggère que l’image cohérente du trou noir classique est incompatible avec les principes fondamentaux de la physique quantique.

La question de la distinguabilité observationnelle entre les trous noirs classiques et les objets compacts alternatifs est ouverte. Des programmes d’observation comme l’Event Horizon Telescope amélioré, Einstein Telescope et LISA pourraient apporter des données discriminantes dans les décennies à venir.

Conclusion : une science honnête

Au terme de cet examen, que pouvons-nous conclure honnêtement ?

Premièrement, il existe dans l’univers des objets extrêmement massifs et compacts dont les propriétés gravitationnelles sont indiscutables et remarquablement bien décrites par la relativité générale dans les régimes accessibles à l’observation.

Deuxièmement, l’interprétation de ces objets comme des trous noirs « au sens strict » — avec un horizon des événements infranchissable et une singularité centrale — repose sur une série d’hypothèses supplémentaires : la validité de la relativité générale dans des régimes jamais testés, la satisfaction des conditions d’énergie des théorèmes de singularité, l’absence d’effets quantiques perturbateurs pendant l’effondrement, la réalisation physique de configurations initiales de haute symétrie.

Troisièmement, plusieurs chercheurs sérieux — Einstein lui-même en 1939, Oppenheimer et Snyder qui pointaient le paradoxe du temps infini, Logunov qui montre les ambiguïtés mathématiques de la relativité générale, Greiner qui développe une extension qui élimine les singularités, Mersini-Houghton qui montre que le rayonnement de Hawking empêche la formation d’un horizon, Kundt qui liste les observations incompatibles avec un trou noir au centre de notre galaxie.

Tous ont identifié des raisons sérieuses de penser que ces hypothèses pourraient ne pas être satisfaites.

Quatrièmement, aucune de ces critiques n’est définitive. Les théories alternatives ont leurs propres difficultés, leurs propres hypothèses, leurs propres zones d’incertitude. Le consensus scientifique sur les trous noirs n’est pas le fruit d’une conspiration ou d’une erreur grossière : il est le résultat d’une longue accumulation de travaux sérieux qui ont, jusqu’à présent, résisté aux critiques.

Ce que nous pouvons affirmer avec confiance est plus modeste mais plus honnête : nous observons des objets compacts et massifs, dont le comportement est remarquablement bien prédit par la relativité générale dans les régimes testables. La question de savoir si ces objets possèdent exactement les caractéristiques que la théorie leur attribue dans ses régimes extrêmes — horizon, singularité, disparition définitive de l’information — reste ouverte.

Une science honnête le reconnaît. Ce n’est pas une faiblesse : c’est précisément ce qui distingue la science de la dogmatique.

11Médias — pour aller plus loin

Cette vidéo reprend en images les points développés dans l’article : la distinction entre ce qu’on observe et ce qu’on en déduit, et les raisons sérieuses de garder la question ouverte.

12Sources

1. Albert Einstein (1939) : « On a Stationary System with Spherical Symmetry Consisting of Many Gravitating Masses », Annals of Mathematics, 40(4), pp. 922–936. DOI : 10.2307/1968902. — L’article où Einstein argumente que les singularités de Schwarzschild ne peuvent pas se former dans la nature.
2. J.R. Oppenheimer & H. Snyder (1939) : « On Continued Gravitational Contraction », Physical Review, 56, pp. 455–459. DOI : 10.1103/PhysRev.56.455. — L’article fondateur de la physique des trous noirs, qui contient aussi le paradoxe du temps infini.
3. A.A. Logunov, Yu.M. Loskutov & M.A. Mestvirishvili (1988) : « The Relativistic Theory of Gravitation and Its Consequences », Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 155. — Critique approfondie de la relativité générale et présentation de la TRG.
4. A.A. Logunov (1995) : « Classical Gravitational Field Theory », Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 165(2). — Présentation synthétique de la TRG : exclusion des trous noirs, univers cyclique plat, masse cachée.
5. Laura Mersini-Houghton (2014) : « Backreaction of Hawking Radiation on a Gravitationally Collapsing Star I: Black Holes? », arXiv:1406.1525. — Démonstration que le rayonnement de Hawking empêche la formation de l’horizon et de la singularité.
6. Walter Greiner, P.O. Hess & I. Rodríguez (2014) : « There are no Black Holes: Pseudo-Complex General Relativity », Proceedings of Science, FFP 14. — Présentation de la pc-RG qui élimine les horizons des événements.
7. Wolfgang Kundt (2013) : « Astrophysics without Black Holes, and without Extragalactic Gamma-Ray Bursts », Acta Polytechnica. — Arguments observationnels et théoriques contre l’existence des trous noirs.
8. Eric Lerner : « Les trous noirs existent-ils réellement ? » — Analyse de la distinction entre observations directes et inférences théoriques.

Voir aussi : Les distances cosmiques · LIGO : l’onde qui n’existait pas.