Les Trous Noirs Expliqués : Comment Ils Se Forment, À Quoi Ils Ressemblent et la Preuve de Leur Existence

Les trous noirs sont des régions de l'espace où la gravité est assez forte pour que, au-delà d'une certaine limite, même la lumière ne puisse s'échapper. Cette limite s'appelle l'horizon des événements, et la NASA la décrit comme le point où la vitesse nécessaire pour s'échapper dépasse la vitesse de la lumière.

Comment se forment les trous noirs

La route la plus courante est la mort d'une étoile massive. Selon la NASA, une étoile d'une masse supérieure à 20 masses solaires qui épuise le carburant nucléaire dans son noyau s'effondre sous son propre poids. Une fois qu'un noyau en effondrement dépasse environ trois masses solaires, aucune force connue ne peut arrêter l'effondrement, et un trou noir en résulte.

Les trous noirs supermassifs, qui se trouvent au centre de grandes galaxies et pèsent entre 100 000 et des milliards de masses solaires, sont plus difficiles à expliquer par l'effondrement stellaire seul. La NASA déclare que l'origine des trous noirs supermassifs est mal comprise, bien qu'on sache qu'ils existent depuis les premiers jours de la vie d'une galaxie.

Les trous noirs grandissent également après leur formation, en attirant le gaz et la poussière environnants par un processus appelé accrétion, et en fusionnant avec d'autres trous noirs.

La structure d'un trou noir

La description de la NASA de l'anatomie des trous noirs énumère plusieurs parties distinctes. La singularité est le point théorique au centre où, selon la relativité générale, la matière est écrasée à une densité infinie. Autour d'elle se trouve l'horizon des événements, le point de non-retour.

Plus loin, le gaz et la poussière tombants forment un disque d'accrétion, une structure rotative qui est chauffée en spiralant vers l'intérieur, ce qui en fait l'une des principales façons dont les astronomes détectent les trous noirs. Près du trou noir, la lumière peut orbiter plusieurs fois avant de s'échapper, produisant un anneau fin et déformé connu sous le nom de sphère de photons. Certains trous noirs génèrent également une couronne de particules à un milliard de degrés au-dessus du disque, et des paires de jets qui éjectent la matière vers l'extérieur à presque la vitesse de la lumière, les jets des trous noirs supermassifs s'étendant sur des centaines de milliers d'années-lumière, selon la NASA.

Types de trous noirs

Les astronomes classent les trous noirs par masse. Les trous noirs de masse stellaire vont d'environ trois à plusieurs dizaines de masses solaires et sont dispersés dans les galaxies comme la Voie lactée. Les trous noirs supermassifs ancrent les centres des grandes galaxies et pèsent de 100 000 à des milliards de masses solaires ; celui au cœur de la galaxie Messier 87 pèse plus de 6 milliards de masses solaires, selon la NASA. Les trous noirs de masse intermédiaire, dans la plage de 100 à plus de 10 000 masses solaires, ont peu d'exemples confirmés ; la NASA appelle l'événement de fusion de 2019 GW190521, qui a produit un trou noir de 142 masses solaires, l'exemple le plus convaincant de cette catégorie à ce jour.

Comment les scientifiques ont prouvé que les trous noirs sont réels

Les images directes d'un trou noir sont impossibles au sens normal, car aucune lumière ne s'échappe de l'intérieur de l'horizon des événements. Au lieu de cela, les chercheurs recherchent des effets indirects, et deux résultats historiques au cours de la dernière décennie ont transformé les trous noirs d'une prédiction théorique en une réalité observée.

Le premier s'est produit le 14 septembre 2015, lorsque les détecteurs jumeaux Advanced LIGO aux États-Unis ont capté un signal d'onde gravitationnelle, nommé ultérieurement GW150914, selon le rapport de Physics World sur la découverte. Le signal provenait de deux trous noirs, d'une masse de 36 et 29 fois celle du Soleil, fusionnant en un unique trou noir tournant de 62 masses solaires à environ 1,3 milliard d'années-lumière. La différence, équivalente à 3 masses solaires, avait été rayonnée sous forme d'ondes gravitationnelles. La détection a été mesurée avec une signification statistique supérieure à 5,1 sigma et a confirmé, entre autres, que les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière, comme l'a prédit la relativité générale d'Einstein.

Le deuxième jalon s'est produit le 10 avril 2019, lorsque la collaboration du Télescope de l'Horizon des Événements a publié la première image jamais prise de la silhouette d'un trou noir, selon le rapport de MIT News. La cible était le trou noir supermassif au centre de M87, à 55 millions d'années-lumière de la Terre, avec une masse de 6,5 milliards de Soleils et un horizon des événements d'environ 40 milliards de kilomètres de diamètre. Huit radiotélescopes terrestres, allant d'Hawaï et de l'Arizona au Mexique, en Espagne, au Chili et en Antarctique, ont travaillé ensemble en tant qu'instrument virtuel unique pour capturer l'image, qui montrait un anneau brillant de gaz incandescent entourant une « ombre » centrale sombre.

Plus de 200 chercheurs de 13 institutions partenaires ont contribué au résultat de 2019, selon MIT News, et l'ombre observée correspondait aux prédictions de la relativité générale.

Effets gravitationnels sur l'espace environnant

Près d'un trou noir, la matière qui tombe spirale dans le disque d'accrétion, que la NASA décrit comme un « disque chaud, brillant et tournant rapidement » — l'une des principales façons dont les astronomes détectent les trous noirs même si le trou noir lui-même n'émet pas de lumière. Ces mêmes effets gravitationnels courbent la trajectoire de la lumière qui passe à proximité, ce qui produit l'anneau lumineux visible dans les images du EHT au lieu d'un simple cercle noir.

Questions fréquemment posées