La NASA définit un trou noir comme une région d'une gravité si immense que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper. La limite visible autour de cette région s'appelle l'horizon des événements : le point où la vitesse nécessaire pour s'échapper à l'attraction gravitationnelle dépasse la vitesse de la lumière, selon le document officiel de la NASA sur les trous noirs.
À l'intérieur de cette limite, selon le site éducatif de la NASA pour le grand public, on pense que la matière restante d'une étoile effondrée se comprime en un point infiniment petit appelé singularité. Malgré sa minuscule taille, son attraction gravitationnelle gouverne tout à l'intérieur de l'horizon des événements.
Comment se forme un trou noir stellaire
La NASA affirme qu'un trou noir de masse stellaire se forme quand une étoile ayant plus d'environ 20 fois la masse du Soleil épuise le carburant nucléaire de son noyau et s'effondre sous son propre poids. L'effondrement déclenche une supernova qui projette les couches externes de l'étoile, tandis que le noyau continue de s'enfoncer. Une fois que le noyau qui s'effondre dépasse environ trois masses solaires, note la NASA, l'effondrement en un trou noir devient inévitable car aucune force connue ne peut l'arrêter.
Une étoile conserve normalement sa forme car la pression vers l'extérieur de la fusion nucléaire équilibre l'attraction vers l'intérieur de sa propre gravité. Quand le carburant s'épuise, cet équilibre se brise et la gravité comprime le noyau jusqu'à ce qu'il forme un trou noir, selon la même explication de la NASA.
Tous les trous noirs n'ont pas la même taille
La documentation de la NASA sur les trous noirs distingue plusieurs catégories selon la masse. Les trous noirs de masse stellaire vont d'environ trois à plusieurs dizaines de masses solaires et sont dispersés dans la Voie lactée. Les trous noirs supermassifs, trouvés au centre de la plupart des grandes galaxies, y compris la nôtre, pèsent entre 100 000 et des milliards de masses solaires.
Une troisième catégorie, les trous noirs de masse intermédiaire pesant environ 100 à plus de 10 000 masses solaires, a longtemps été soupçonnée et n'avait que quelques candidats identifiés par des preuves indirectes, selon la NASA. La NASA décrit une détection d'ondes gravitationnelles de 2019, couverte ci-dessous, comme l'exemple le plus convaincant de cette classe à ce jour.
Catégories de trous noirs par masse (NASA)| Catégorie | Masse typique | Où trouvé |
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| Masse stellaire | ~3 à plusieurs dizaines de masses solaires | Partout dans la Voie lactée |
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| Masse intermédiaire | ~100 à plus de 10 000 masses solaires | Exemple le plus convaincant de la fusion d'ondes gravitationnelles de 2019 (GW190521) |
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| Supermassif | 100 000 à des milliards de masses solaires | Centres de la plupart des grandes galaxies |
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Preuve qui ne repose pas sur la vision de la lumière
Comme les trous noirs n'émettent pas de lumière, les scientifiques confirment leur existence indirectement. La NASA met en avant plusieurs méthodes : détecter les rayons X et les ondes radio de la matière chauffée à des températures extrêmes près de l'horizon des événements, observer les jets de particules se déplaçant près de la vitesse de la lumière qui émettent des ondes radio, des rayons X et des rayons gamma, et détecter les ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace-temps mesurées pour la première fois en 2015 à partir d'un événement appelé GW150914, quand deux trous noirs se sont spiralé l'un vers l'autre et fusionnés, selon la NASA.
La méthode des ondes gravitationnelles a ensuite produit le premier trou noir de masse intermédiaire confirmé. La Collaboration Scientifique LIGO et la Collaboration Virgo ont annoncé le 2 septembre 2020 qu'elles avaient détecté un signal, désigné GW190521, provenant d'un événement qui s'est produit le 21 mai 2019, selon la page officielle de détection de LIGO. Deux trous noirs de masses d'environ 85 et 66 masses solaires ont fusionné en un seul reste de 142 masses solaires — la première détection claire d'un trou noir de masse intermédiaire, selon LIGO.
LIGO note également que la fusion est scientifiquement remarquable car les masses progénitrices se situent à l'intérieur du soi-disant écart de masse d'instabilité de paires, une plage (environ 65 à 120 masses solaires) où la théorie standard de l'effondrement stellaire ne prédit pas que les trous noirs se forment directement, suggérant que les objets peuvent eux-mêmes résulter de fusions antérieures.
Voir l'ombre d'un trou noir
Au-delà de la détection indirecte, les astronomes ont produit une image directe. Le Télescope de l'Horizon des Événements, un réseau mondial d'observatoires radio, a libéré la première image d'un trou noir en 2019 — celui au centre de la galaxie M87, estimé à 6,5 milliards de masses solaires et à environ 55 millions d'années-lumière, selon la documentation de la NASA sur les trous noirs.
L'image montre un anneau brillant de gaz incandescent entourant une "ombre" centrale sombre, la silhouette projetée par l'horizon des événements du trou noir contre la lumière de la matière tombante.
Ce qui reste incertain
Selon la NASA, l'origine des trous noirs supermassifs reste mal comprise, bien que les preuves montrent qu'ils existaient déjà dans les premiers temps de l'histoire des galaxies.
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