Comment se forment les trous noirs, ce qu'ils sont et ce qu'ils révèlent sur l'univers

Un trou noir est défini par la NASA comme une région de l'espace où la gravité est assez forte pour que rien, y compris la lumière, ne puisse s'échapper une fois qu'il passe une limite appelée l'horizon des événements. Comme aucune lumière ne s'échappe, les trous noirs eux-mêmes ne peuvent pas être vus directement; leur présence est déduite de leurs effets gravitationnels sur la matière à proximité et, depuis 2019, d'images directes de la matière brillante qui les entoure.

Comment se forme un trou noir

Selon la NASA, une étoile génère de l'énergie par la fusion nucléaire dans son cœur, et la pression vers l'extérieur de cette énergie équilibre l'attraction vers l'intérieur de la gravité de l'étoile elle-même. Quand une étoile ayant plus de 20 fois la masse du Soleil épuise son combustible nucléaire, cet équilibre se rompt. Le cœur s'effondre sous son propre poids, déclenchant une explosion de supernova qui emporte les couches externes de l'étoile. Si le cœur restant dépasse environ trois masses solaires, la NASA affirme qu'il continue de s'effondrer en un trou noir de masse stellaire.

Toutes les étoiles qui s'effondrent ne produisent pas un trou noir. Un cœur inférieur à environ trois masses solaires devient généralement une étoile à neutrons à la place, selon la description de la NASA de l'évolution stellaire. Une fois qu'un trou noir existe, il peut continuer à se développer en attirant du gaz, de la poussière, et même d'autres étoiles ou trous noirs qui s'en rapprochent trop.

Les trois types principaux

La NASA classe les trous noirs en trois grandes catégories selon leur masse. Les trous noirs de masse stellaire, allant d'environ trois à plusieurs dizaines de masses solaires, sont disséminés dans la Voie lactée et se forment à partir d'étoiles massives qui s'effondrent. Les trous noirs de masse intermédiaire, avec environ 100 à plus de 10 000 masses solaires, sont plus rares et plus difficiles à confirmer; la NASA cite l'un des exemples les plus convaincants identifiés en 2019. Les trous noirs supermassifs, contenant entre 100 000 et des milliards de masses solaires, se trouvent au centre de la plupart des grandes galaxies, y compris la Voie lactée.

Voir l'invisible : images directes

Comme la lumière ne peut pas s'échapper d'un trou noir, les astronomes ne peuvent pas photographier l'objet lui-même. À la place, le Télescope de l'Horizon des événements (EHT) — un réseau mondial de radiotélescopes agissant comme un instrument de la taille de la Terre, selon la Fondation nationale des sciences (NSF) américaine — capture des images du gaz brillant qui tourbillonne autour d'un trou noir juste à l'extérieur de son horizon des événements. Le 10 avril 2019, la Collaboration EHT a publié la première image de ce type, du trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, situé à environ 55 millions d'années-lumière de la Terre et mesuré à environ 6,5 milliards de masses solaires, selon le résumé de la NSF.

Le 12 mai 2022, la Collaboration EHT a publié une deuxième image, cette fois de Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de notre propre Voie lactée. La NSF la décrit comme la première preuve visuelle directe de cet objet, avec une masse que la NSF donne comme environ 4 millions de fois la masse du Soleil. Un résumé des découvertes sur cosmoquest.org place de manière similaire sa masse à environ quatre millions de masses solaires et sa distance à environ 27 000 années-lumière de la Terre. Les deux images montrent la même signature : une ombre centrale sombre entourée de lumière brillante et lensée du gaz orbital surchauffé.

Ondulations dans l'espace-temps : ondes gravitationnelles

Une ligne de preuve distincte provient des ondes gravitationnelles — des ondulations dans l'espace-temps prédites par la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein en 1915. Le 14 septembre 2015, les détecteurs jumeaux de l'Observatoire des interféromètres laser pour les ondes gravitationnelles (LIGO) à Hanford, Washington, et Livingston, Louisiane, ont enregistré un signal désigné GW150914, selon un résumé scientifique du LIGO. Le signal provenait de la fusion de deux trous noirs ayant des masses d'environ 36 et 29 fois la masse du Soleil, qui se sont combinés en un seul trou noir d'environ 62 masses solaires. Les trois masses solaires manquantes ont été rayonnées sous forme d'énergie d'ondes gravitationnelles, affirme le LIGO, d'un événement à plus d'un milliard d'années-lumière de distance.

Le LIGO rapporte que la détection a atteint une signification statistique de plus de cinq sigma, ce qui signifie qu'une fausse alarme de cette ampleur ne se produirait qu'une fois environ tous les 200 000 ans de données comparables. La forme d'onde observée correspondait aux prédictions de la relativité générale, donnant aux physiciens une nouvelle façon d'étudier les trous noirs qui ne dépend pas du tout de la lumière.

Ce que les trous noirs révèlent sur l'univers

La description par la NASA de l'anatomie des trous noirs identifie trois zones clés : l'horizon des événements, le point de non-retour où la vitesse d'échappement dépasse la vitesse de la lumière; le disque d'accrétion, la matière en spirale dont le rayonnement permet aux astronomes de détecter des trous noirs autrement invisibles; et la singularité au cœur, où la matière est comprimée à une densité extrême et où la physique actuelle, y compris la relativité générale, est censée se rompre. La NASA note que c'est là que les effets quantiques sont censés devenir importants, ce qui signifie que les trous noirs marquent la frontière où la relativité et la mécanique quantique doivent éventuellement se rencontrer.

Parce qu'ils courbent la lumière, déforment le temps et ancrent la structure des galaxies, les trous noirs fonctionnent comme des laboratoires naturels. Les observations de l'imagerie directe et des détecteurs d'ondes gravitationnelles offrent aux scientifiques deux façons indépendantes de tester si la gravité se comporte comme le prédit la théorie d'Einstein sous les conditions les plus extrêmes connues dans l'univers.