Les Trous Noirs Expliqués : Comment Ils Se Forment et Comment les Astronomes Les Détectent

Les trous noirs se forment de plus d'une manière, et les astronomes les classent en classes de taille en fonction de la masse plutôt que d'une seule histoire d'origine.

Comment se forment les trous noirs

La voie la mieux comprise est la mort stellaire. Selon le projet Imagine the Universe de la NASA, un trou noir de masse stellaire se forme lorsqu'une étoile massive épuise son combustible nucléaire et son cœur s'effondre sous sa propre gravité, processus qui peut accompagner une explosion de supernova. La NASA déclare que ces trous noirs de masse stellaire ont typiquement des masses environ 5 à 20 fois celle du Soleil et sont dispersés dans les galaxies partout où des étoiles massives ont vécu et sont mortes.

À l'autre extrémité de l'échelle se trouvent les trous noirs supermassifs, trouvés au centre de presque toutes les grandes galaxies, avec des masses allant de millions à milliards de fois la masse du Soleil, selon la NASA. La façon exacte dont ces géants se forment et se développent est décrite par la NASA comme un domaine actif de recherche, bien que les observations montrent une corrélation entre la taille du trou noir central d'une galaxie et la taille de la galaxie elle-même.

La NASA décrit également une classe intermédiaire proposée, avec des masses entre les fourchettes stellaire et supermassive. L'agence note que les astronomes ont commencé récemment à trouver des preuves possibles de trous noirs de masse intermédiaire, après que de nombreux objets candidats antérieurs se sont avérés être expliqués par d'autres processus physiques.

Comment les astronomes détectent quelque chose qui n'émet pas de lumière

Un trou noir en lui-même ne peut pas être vu car il n'émet pas de lumière propre. La page Imagine the Universe de la NASA explique que les astronomes s'appuient plutôt sur la détection indirecte : ils recherchent un comportement chez les objets voisins qui ne peut être expliqué que par la présence d'une très grande masse dense et invisible. Cela inclut la matière étant attirée et chauffée en un disque d'accrétion brillant, ou des étoiles visiblement en orbite autour d'un point où aucune étoile ne peut être vue.

Un moyen d'imager cette preuve indirecte est l'interférométrie radio. Le Télescope de l'Horizon des Événements (EHT) lie les observatoires radio du monde entier en utilisant une technique appelée interférométrie à très longue base (VLBI), qui, comme l'explique le site de vulgarisation scientifique Einstein-Online, combine les observations simultanées de plusieurs télescopes en données équivalentes à un seul télescope de la taille de la Terre. Le trou noir n'apparaît pas directement ; ce que l'EHT enregistre est l'émission radio du gaz chaud et tourbillonnant dans le disque d'accrétion, avec une région centrale sombre — l'« ombre » du trou noir — créée où la lumière se courbe autour de l'objet sous une gravité extrême.

La première image : M87

Le 10 avril 2019, la collaboration EHT a publié la première image jamais construite de cette manière, montrant le trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, situé à environ 55 millions d'années-lumière de la Terre, selon MIT News, qui a rapporté le lancement. MIT News a rapporté que la masse de l'objet est d'environ 6,5 milliards de fois celle du Soleil, avec l'horizon des événements capturé mesurant un peu moins de 40 milliards de kilomètres de large. La campagne d'observation a combiné huit observatoires radio terrestres et a impliqué plus de 200 chercheurs du monde entier.

Écouter les trous noirs : ondes gravitationnelles

Une méthode de détection distincte n'utilise pas la lumière du tout. Le 14 septembre 2015, à 5 h 51 EDT, l'Observatoire des Ondes Gravitationnelles de l'Interféromètre Laser (LIGO) a réalisé la première détection directe d'ondes gravitationnelles — des ondulations dans l'espace-temps prédites par la relativité générale d'Einstein — selon MIT News. Le signal provenait de deux trous noirs, chacun d'environ 30 fois la masse du Soleil, fusionnant à environ 1,3 milliard d'années-lumière. La collision a converti l'énergie équivalente à environ trois masses solaires en ondes gravitationnelles, selon le rapport du MIT, rayonnant brièvement plus de puissance que toute la lumière dans l'univers visible. Les détecteurs laser jumeaux de 4 kilomètres du LIGO en Louisiane et dans l'État de Washington ont mesuré un changement de longueur de bras inférieur à un dix-millième du diamètre d'un proton pour enregistrer le signal.

Le LIGO a depuis été rejoint par le détecteur Virgo en Italie et KAGRA au Japon pour former la Collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), que Caltech rapporte avoir enregistré environ 300 fusions de trous noirs depuis 2015, y compris plus de 200 lors de sa quatrième cycle d'observation seul. En novembre 2023, la collaboration a observé la fusion des trous noirs les plus massifs jamais enregistrés par les ondes gravitationnelles, un événement désigné GW231123, impliquant des objets d'environ 100 et 140 masses solaires qui ont fusionné en un trou noir d'environ 225 masses solaires, a rapporté Caltech.

Faits clés en un coup d'œil

Ensemble, les deux méthodes — imager la matière brillante autour d'un trou noir avec l'interférométrie radio, et écouter le « chirp » des ondes gravitationnelles de deux trous noirs en spirale — donnent aux astronomes des moyens indépendants et complémentaires de confirmer qu'un objet est un trou noir et de mesurer sa masse, bien que le trou noir lui-même n'émette jamais rien qui puisse être vu directement.