Trous Noirs Expliqués : Comment Ils Se Forment, Fonctionnent, et Ont Finalement Été Photographiés

Un trou noir est défini par la NASA comme un objet astronomique avec une attraction gravitationnelle si forte que rien, y compris la lumière, ne peut s'en échapper. Le point de non-retour autour d'un trou noir est appelé horizon des événements : à l'intérieur de cette limite, la vitesse nécessaire pour s'échapper dépasse la vitesse de la lumière, donc rien ne peut la franchir et revenir.

Comment un trou noir se forme

La meilleure voie comprise est l'effondrement stellaire. Selon la NASA, une étoile avec plus d'environ 20 fois la masse du Soleil épuise finalement le carburant nucléaire de son noyau et s'effondre sous sa propre gravité. Cet effondrement déclenche une explosion de supernova qui souffle les couches externes de l'étoile. Si ce qui reste du noyau écrasé dépasse encore environ trois masses solaires, la NASA affirme qu'aucune force connue ne peut arrêter l'effondrement de continuer jusqu'à former un trou noir.

Une fois formé, un trou noir peut se développer en aspirant du gaz environnant, en arrachant de la matière d'une étoile compagne, ou en se fusionnant avec un autre trou noir, explique la NASA sur sa page de présentation des trous noirs.

Les trous noirs supermassifs, trouvés aux centres des galaxies et variant d'environ 100 000 à des milliards de masses solaires selon la NASA, sont moins bien compris. La NASA note que leur origine reste une question ouverte, puisqu'ils semblent avoir existé depuis les premiers stades de la formation des galaxies.

Horizon des événements, singularité, et les parties d'un trou noir

La description de l''anatomie' du trou noir par la NASA énumère plusieurs zones distinctes. Au centre se trouve la singularité, un point où la matière est écrasée à ce que la NASA décrit comme une densité infinie; les scientifiques ne sont pas certains si c'est une structure physique ou un artefact mathématique des équations. L'entourant est l'horizon des événements, la limite de non-échappement. Plus loin, la lumière de la matière qui tombe peut orbiter le trou noir plusieurs fois avant de s'échapper, produisant des anneaux minces visibles autour de l''ombre' sombre du trou noir dans les images directes — une région que la NASA appelle la sphère de photons.

La matière tombant vers un trou noir forme généralement un disque d'accrétion chaud et lumineux avant de franchir l'horizon des événements. Dans de nombreux systèmes, une partie de ce matériau est plutôt redirigée vers des jets de particules se déplaçant à près de la vitesse de la lumière; dans les trous noirs supermassifs ces jets peuvent s'étendre sur des centaines de milliers d'années-lumière, dit la NASA.

Prouver que les trous noirs existent : Penrose, Genzel, et Ghez

Pendant des décennies, les trous noirs ont été une conséquence mathématique de la relativité générale d'Einstein plutôt qu'une réalité physique confirmée. L'Académie royale suédoise des sciences a attribué la moitié du Prix Nobel de Physique 2020 à Roger Penrose, dont la preuve de 1965 — décrite dans l'annonce de l'Académie elle-même, rapportée par ScienceDaily — a montré que la formation de trou noir est une prédiction robuste et inévitable de la relativité générale une fois qu'un corps suffisamment massif et compact s'effondre, et que cet effondrement produit nécessairement une singularité.

L'autre moitié du prix est allée conjointement à Reinhard Genzel et Andrea Ghez, qui ont dirigé des équipes séparées en suivant les orbites d'étoiles au centre de la Voie Lactée pendant des décennies en utilisant certains des plus grands télescopes du monde. Leur travail, également résumé dans l'annonce du Prix Nobel couvert par ScienceDaily, a trouvé un objet invisible d'environ quatre millions de masses solaires concentré dans une région pas plus grande que le système solaire — une forte preuve du trou noir supermassif maintenant connu sous le nom de Sagittarius A*.

Détecter l'indétectable : ondes gravitationnelles et images directes

Le 14 septembre 2015, les détecteurs jumeaux Advanced LIGO ont enregistré un signal, désigné GW150914, correspondant à la forme d'onde prédite de deux trous noirs se rapprochant en spirale et se fusionnant. Selon le résumé scientifique de la Collaboration Scientifique LIGO, les deux trous noirs avaient des masses d'environ 36 et 29 fois celle du Soleil, se fusionnant en un unique trou noir d'environ 62 masses solaires à plus d'un milliard d'années-lumière de distance; environ trois masses solaires ont été converties en énergie d'ondes gravitationnelles en une fraction de seconde. La détection portait une signification statistique de plus de 5 sigma, signifiant qu'une fausse alarme de cette magnitude serait attendue environ une fois tous les 200 000 ans de données comparables, rapporte LIGO.

Quatre ans plus tard, la Collaboration du Télescope de l'Horizon des Événements (EHT) a publié la première image jamais vue de l'ombre d'un trou noir, prise de M87*, le trou noir supermassif au centre de la galaxie Messier 87. Comme l'explique le Laboratoire de Propulsion par Réaction de la NASA, l'EHT relie les radiotélescopes autour du globe en un seul instrument virtuel en utilisant l'interférométrie de très longue base, réalisant une résolution environ 4 000 fois plus nette que le Télescope Spatial Hubble. La campagne d'observation d'avril 2017 derrière l'image, publiée en 2019, a mesuré M87* à environ 6,5 milliards de masses solaires, situé à environ 53 millions d'années-lumière de distance.

Le 12 mai 2022, la Collaboration EHT a publié une deuxième image historique : Sagittarius A*, le trou noir central de la Voie Lactée. Comme décrit par AAS Nova, les données sous-jacentes ont été enregistrées en avril 2017, signifiant que plus de cinq ans se sont écoulés entre l'observation et la publication de l'image. Sagittarius A* est d'environ quatre millions de masses solaires et 27 000 années-lumière de distance — signifiant qu'il apparaît approximativement de la même taille apparente dans le ciel que le M87* beaucoup plus massif et distant, puisque M87* est environ 2 000 fois plus loin et environ 1 500 fois plus massif. Les diamètres mesurés d'anneau et d'ombre des deux trous noirs correspondaient aux prédictions de la relativité générale, selon AAS Nova, donnant aux astronomes une confirmation indépendante de la théorie d'Einstein sur des masses de trou noir vastement différentes.

Pourquoi cela compte pour la physique

Chacun de ces résultats teste la relativité générale dans un régime qu'Einstein ne pouvait pas observer directement : matière et espace-temps sous gravité extrême. Le signal d'onde gravitationnelle de GW150914 correspondait à la forme d'onde prédite par la relativité générale pour une spirale, fusion, et ringdown ultérieur du trou noir résultant, selon l'analyse de LIGO. Les diamètres d'anneau mesurés par l'EHT pour M87* et Sagittarius A* correspondaient de même aux prédictions de relativité générale, selon AAS Nova, donnant aux scientifiques deux méthodes de confirmation indépendantes — ondes gravitationnelles et imagerie directe — qui convergent vers le même cadre théorique.