Comment se forment les trous noirs et pourquoi sont-ils les objets les plus extrêmes de l'univers

Un trou noir est une région de l'espace où la gravité est si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper une fois qu'il franchit une limite appelée l'horizon des événements, selon la NASA. Cette propriété unique —une surface à sens unique dans l'espace— est ce qui rend ces objets, plutôt que leur taille visible, les environnements les plus extrêmes connus en physique.

Comment se forme un trou noir

Le chemin le mieux compris est l'effondrement stellaire. La NASA explique que les étoiles ayant plus d'environ 20 fois la masse du Soleil épuisent finalement leur carburant nucléaire ; le cœur s'effondre alors vers l'intérieur tandis que les couches externes sont soufflées dans une explosion de supernova. Si le cœur écrasé qui reste contient toujours plus d'environ trois masses solaires, la NASA affirme qu'aucune force connue ne peut empêcher ce cœur de s'effondrer en un trou noir.

L'ESA décrit le même mécanisme : une fois qu'un cœur stellaire au-dessus de ce seuil de masse est comprimé dans un volume suffisamment petit, sa propre gravité surpasse toutes les autres forces physiques, et l'objet continue de rétrécir jusqu'à ce que la lumière ne puisse plus le quitter. Les trous noirs peuvent continuer à croître en absorbant du gaz environnant, un processus appelé accrétion, selon la NASA. L'ESA note que l'accrétion seule a du mal à expliquer comment certains trous noirs supermassifs ont grandi si rapidement au début de l'histoire de l'univers, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles les scientifiques étudient les trous noirs de masse intermédiaire comme un possible chaînon manquant.

Une idée distincte et moins établie concerne les premiers moments de l'univers. Certaines théories proposent que les trous noirs primordiaux auraient pu se former directement à partir de conditions extrêmes peu après le Big Bang, sans aucune étoile impliquée. L'ESA dit que sa mission Euclid pourrait aider à tester si de tels objets existent et s'ils pourraient expliquer une partie de la matière noire de l'univers.

Quatre classes, définies par la masse

La NASA et l'ESA regroupent les trous noirs en catégories basées principalement sur la quantité de masse qu'ils contiennent, car la masse détermine la taille, la force de la gravité et la route de formation.

Ce qui les rend extrêmes

L'horizon des événements est la caractéristique qui distingue les trous noirs. La NASA le décrit comme le point où la vitesse de fuite nécessaire pour quitter l'objet dépasse la vitesse de la lumière, de sorte que rien —y compris la lumière elle-même— ne peut revenir vers l'extérieur. Parce qu'aucune lumière ne s'échappe, les trous noirs eux-mêmes n'émettent pas de lumière ; ce que les astronomes détectent est la lueur de la matière juste en dehors de cette limite.

Cette lueur provient du disque d'accrétion, la matière tirée d'étoiles proches ou de nuages de gaz qui spirale vers l'intérieur et se réchauffe en s'approchant de l'horizon des événements, selon la description de la NASA de l'anatomie du trou noir. Autour des trous noirs supermassifs se nourrissant activement, cette région —appelée couronne— atteint des températures d'environ un milliard de degrés et produit des rayons X de haute énergie, avec des particules se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière.

Au cœur même, la relativité générale prédit une singularité, un point où la matière est comprimée à une densité infinie, selon la NASA. Elle est décrite comme la destination finale de tout ce qui tombe au-delà de l'horizon des événements, bien que les physiciens notent que c'est là où les théories actuelles de la gravité s'effondrent plutôt que de donner une description entièrement testée de ce qui s'y passe réellement.

Voir un trou noir directement

Parce que les trous noirs n'émettent pas leur propre lumière, les astronomes ne peuvent pas les photographier directement —ils forment des images de l'ombre qu'un trou noir projette sur le gaz lumineux autour de lui. Le Télescope de l'Horizon des Événements (EHT), un réseau mondial d'observatoires radio liés par une technique appelée interférométrie à très longue base, a produit la première image de ce type du trou noir supermassif M87* en 2019 et de Sagittarius A*, le trou noir central de la Voie lactée, en 2022, selon l'Observatoire austral européen (ESO), un partenaire de la collaboration EHT.

L'ESO déclare que Sagittarius A* a une masse d'environ 4 millions de fois celle du Soleil et se trouve à environ 27 000 années-lumière de la Terre, mais de notre point de vue, l'ESO le décrit comme ne paraissant pas plus grand qu'un beignet ne le paraîtrait s'il était placé à la surface de la Lune. La NASA rapporte séparément que M87*, imagé par l'EHT en 2019, contient plus de 6 milliards de masses solaires, avec un horizon des événements que la NASA dit s'étendrait bien au-delà des planètes du système solaire.

L'ESO note que de telles images permettent aux scientifiques de sonder directement le comportement de l'espace-temps à la limite d'un trou noir, une façon de tester la relativité générale dans les conditions gravitationnelles les plus extrêmes disponibles pour l'observation.