Les trous noirs sont des objets astronomiques avec une attraction gravitationnelle si intense que rien, pas même la lumière, ne peut s’en échapper. La limite au-delà de laquelle rien ne peut s’échapper est connue sous le nom d’horizon des événements. Bien qu’ils soient sombres, les trous noirs ne sont pas vides ; ils contiennent de la matière compressée dans un espace extrêmement réduit. Leur présence est déduite de leur interaction avec la matière environnante et les radiations électromagnétiques, telles que la lumière visible. Deux catégories principales de trous noirs sont observées dans l’univers : les trous noirs de masse stellaire, qui sont de trois à dix fois la masse du Soleil et sont dispersés dans notre galaxie, la Voie lactée, et les trous noirs supermassifs, qui vont de 100 000 à des milliards de fois la masse solaire et résident au centre de la plupart des grandes galaxies, y compris la nôtre. Malgré les découvertes actuelles dans la Voie lactée, on estime qu’il existe des centaines de millions de tels trous noirs.
L’existence des trous noirs a été proposée pour la première fois en 1916 par le physicien allemand Karl Schwarzschild, qui tentait de résoudre les équations de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Il a remarqué que les solutions contenaient un phénomène particulier : la théorie se comportait de manière inhabituelle à un certain rayon, désormais connu sous le nom de rayon de Schwarzschild. Il en conclut que si une masse était compressée dans un espace plus petit que son rayon de Schwarzschild, sa gravité l’emporterait sur toutes les forces connues. Les premiers physiciens pensaient initialement que de tels phénomènes étaient peu probables dans la nature. Cependant, à la fin des années 1930, il est devenu clair que les trous noirs pouvaient effectivement se former dans des conditions extrêmes, comme l’a montré le physicien indien Subrahmanyan Chandrasekhar, démontrant qu’aucune force ne pouvait contrer la gravité à une certaine densité, conduisant ainsi à la formation des trous noirs seulement dans les conditions les plus sévères.
Comment se forment les trous noirs ?
Les trous noirs stellaires se forment à partir d’étoiles massives qui produisent lumière et chaleur par fusion nucléaire. Dans ce processus, deux atomes plus légers fusionnent pour créer un atome plus lourd, libérant de l’énergie. Ces atomes plus lourds continuent de fusionner en atomes encore plus lourds dans un cycle qui maintient l’étoile en activité. Lorsqu’une étoile a une masse environ 20 fois celle du Soleil et approche de la fin de sa vie, des éléments tels que le silicium et le magnésium fusionnent en fer. La formation du fer nécessite plus d’énergie que l’étoile ne peut fournir, et aucune force ne peut contrebalancer la gravité interne de l’étoile. Par conséquent, l’étoile s’effondre, et son noyau est compressé au-delà du rayon de Schwarzschild, formant ainsi un trou noir.
Comme aucune force connue ne peut arrêter cet effondrement, une fois qu’un trou noir se forme, la matière continue à être compressée en une singularité, un point de densité infinie sans coordonnées spatiales. L’horizon des événements, une limite sphérique entourant le trou noir, marque le point de non-retour ; tout ce qui le traverse ne peut pas échapper. Pour échapper à l’attraction d’un trou noir, il faudrait voyager plus vite que la lumière, ce qui est actuellement impossible. Les trous noirs supermassifs, ou monstres avec des masses de millions de fois celle du Soleil, se forment en accumulant la matière environnante et en fusionnant avec d’autres trous noirs au cours de centaines de millions d’années.
Les astronomes ont longtemps soupçonné l’existence d’une classe intermédiaire de trous noirs, appelés trous noirs de masse intermédiaire, pesant entre 100 et plus de 10 000 masses solaires. Bien que seulement quelques candidats aient été identifiés indirectement, la preuve la plus convaincante est venue en mai 2019 lorsque les ondes gravitationnelles résultant de la fusion de deux trous noirs de masse stellaire ont révélé un trou noir pesant 142 fois la masse du Soleil.
Que se passe-t-il à l’intérieur des trous noirs ?
À l’intérieur d’un trou noir, la matière est compressée dans un volume extrêmement réduit en raison de la gravité, atteignant un état de singularité dans un délai limité. À ce stade, l’objet perd ses coordonnées, et la physique actuelle ne peut décrire ce qui se passe dans cet environnement, car il défie notre compréhension des lois physiques.
Heureusement, les trous noirs les plus proches se trouvent à des milliers d’années-lumière de distance. Les trous noirs se comportent comme d’autres objets massifs dans l’univers, avalant la matière environnante. Cependant, si le Soleil était remplacé par un trou noir de la même taille, l’orbite de la Terre resterait inchangée, mais toute la vie végétale mourrait en raison de l’absence de lumière solaire.
Comment les scientifiques confirment-ils leur existence ?
Les scientifiques ne peuvent pas observer les trous noirs directement avec des télescopes détectant les rayons X, la lumière ou d’autres formes de rayonnement électromagnétique. Au lieu de cela, ils infèrent la présence des trous noirs en étudiant leurs effets sur la matière voisine. Si un nuage de matière passe près d’un trou noir, il est attiré vers l’intérieur, dans un processus appelé accrétion. De même, si une étoile normale passe à proximité d’un trou noir, elle peut être déchirée et aspirée, ce qui fait que la matière attirée accélère et chauffe, émettant des rayons X détectables dans l’espace. Les découvertes récentes ont fourni des preuves intrigantes des effets significatifs des trous noirs sur leur environnement, émettant des explosions puissantes de rayons gamma, consommant des étoiles proches et influençant la formation de nouvelles étoiles tout en l’arrêtant dans d’autres régions.
Quelle est la taille des trous noirs ?
Le trou noir de Cygnus X-1, le trou noir le plus proche de notre système solaire, a une masse d’environ 20 fois celle du Soleil, ce qui est typique pour les trous noirs dans tout l’univers. La NASA estime qu’il pourrait y avoir entre 10 millions et un milliard de trous noirs dans notre galaxie.
Cygnus X-1 se trouve à plus de 6 000 années-lumière de notre système solaire. Bien qu’il soit le trou noir le plus proche connu, il est possible que des trous noirs plus proches existent à moins de 1 000 années-lumière, bien que cela reste non confirmé.
Au centre de presque toutes les galaxies, y compris la Voie lactée, se trouve un trou noir supermassif, de millions voire de milliards de fois la masse du Soleil. Ces trous noirs géants atteignent des tailles colossales en absorbant la matière environnante et en fusionnant avec d’autres trous noirs au cours de centaines de millions d’années.
À quoi ressemblent les trous noirs ?
Les trous noirs, fidèles à leur nom, ne produisent aucune lumière, ce qui les rend sombres. Cependant, les astronomes peuvent les détecter grâce à leurs effets gravitationnels sur les objets voisins et leurs impacts chaotiques. Pour certains trous noirs, en particulier les supermassifs, leur présence est visible à travers les quasars qu’ils produisent. Lorsque la matière tombe dans un trou noir, elle se comprime et chauffe, créant un disque d’accrétion lumineux, parfois plus brillant que toute la galaxie hôte. Ces trous noirs peuvent également émettre des jets de particules hautement énergétiques à une vitesse proche de celle de la lumière, sur des distances allant jusqu’à des dizaines de milliers d’années-lumière.
Une autre manière de « voir » les trous noirs est pendant leur fusion. Lorsque deux trous noirs entrent en collision, ils envoient des ondulations à travers l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles. Bien que ces ondes soient extrêmement faibles, des instruments sensibles sur Terre peuvent les détecter. Jusqu’à présent, les astronomes ont enregistré 50 événements de fusion de trous noirs.
En 2019, la première image réelle d’un trou noir a été capturée lorsque les astronomes ont utilisé le télescope Event Horizon, un réseau de dish s’étendant sur toute la planète, pour photographier le disque lumineux de matière entourant un trou noir ayant une masse supérieure à 6 milliards de fois celle du Soleil, situé dans la galaxie M87, à environ 55 millions d’années-lumière de distance. L’image apparaît comme un anneau orange déformé en raison de l’impossibilité de capturer le trou noir lui-même, car la lumière ne peut pas en échapper. Au lieu de cela, les astronomes ont observé l’ombre du trou noir contre la matière lumineuse qui l’entoure.
