Les trous noirs suscitent depuis des décennies un grand intérêt dans le domaine de l’astronomie. Ces régions de l’espace, où la gravité est si intense que rien ne peut s’en échapper, représentent un élément d’intérêt particulier pour les astronomes et un lien important avec la physique relativiste.
Un trou noir est une région de l’espace où la gravité est si intense que rien, pas même la lumière, ne peut échapper à son attraction. Il s’agit en substance d’une concentration massive de matière qui s’est effondrée sur elle-même, créant une déformation extrême dans la structure de l’espace-temps.
Le concept de trou noir est dérivé de la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui a révolutionné notre compréhension de la gravité. Selon cette théorie, la masse d’un objet courbe l’espace-temps autour de lui, et la gravité est simplement la réponse naturelle des autres objets à cette courbure.
Lorsque la courbure de l'espace-temps est si profonde qu'elle crée un point de non-retour, appelé « horizon des événements », un trou noir se forme.
Comment se forme un trou noir ?
Un trou noir se forme lorsqu'une étoile massive atteint la fin de son cycle de vie et n'a plus de carburant pour soutenir la fusion nucléaire qui équilibre sa propre gravité. Lorsque cela se produit, la pression interne ne peut plus contrecarrer l’attraction gravitationnelle et l’étoile s’effondre brusquement sur elle-même.
Si sa masse est suffisamment grande (plus de trois fois celle du Soleil), cet effondrement est inarrêtable et concentre toute sa matière dans un volume extrêmement petit, générant une région de l'espace avec une gravité si intense que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper.
Cette limite à partir de laquelle rien ne peut émerger s'appelle l'horizon des événements et marque la frontière du trou noir. À l’intérieur, la matière continue de se comprimer jusqu’à former une singularité, un point de densité infinie où les lois connues de la physique ne s’appliquent plus.
Les trous noirs peuvent croître en absorbant plus de matière ou en fusionnant avec d’autres trous noirs, et jouent un rôle fondamental dans l’évolution des galaxies et la structure de l’univers.
Types de trous noirs
Les trous noirs peuvent être classés en trois catégories principales :
Stellaire
Ces trous noirs se forment à partir de l’effondrement d’étoiles massives. Lorsqu’une étoile épuise son combustible nucléaire, la gravité devient la force dominante et l’étoile s’effondre sous son propre poids.
Si l’étoile est suffisamment massive, elle peut devenir un trou noir stellaire.
Ces trous noirs ont des masses allant de quelques fois la masse de notre Soleil à des dizaines de fois la masse solaire.
Supermassif
Elles sont beaucoup plus grandes que celles des étoiles et peuvent avoir des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de fois la masse du Soleil.
On les trouve au centre de la plupart des galaxies, y compris la nôtre, la Voie Lactée.
La formation des trous noirs supermassifs reste un mystère, mais on pense qu'ils se développent au fil des éons, accrétant la matière de leur environnement.
Primordiaux
Contrairement aux deux types précédents, les types primordiaux se sont formés aux premiers stades de l’univers, peu après le Big Bang.
On suppose qu'ils sont le résultat de minuscules fluctuations de densité entraînant la formation de trous noirs. Leur masse varie considérablement, depuis de petites fractions de la masse de la Terre jusqu’à des milliers de masses solaires.
Les trous noirs et la théorie de la relativité
La théorie de la relativité générale d'Einstein fournit la base théorique de l'existence des trous noirs et décrit leur fonctionnement.
En 2019, l' Event Horizon Telescope (EHT) a franchi une étape historique en capturant la première image d'un trou noir au centre de la galaxie M87. Cet exploit monumental a non seulement confirmé l’existence des trous noirs, mais a également démontré l’exactitude de la physique relativiste dans des conditions extrêmes.
Voici quelques concepts clés de la physique relativiste liés aux trous noirs :
Courbure de l'espace-temps
La théorie de la relativité générale postule que la gravité n’est pas une force mystérieuse qui agit à distance, comme on le pensait dans la théorie newtonienne.
La gravité, quant à elle, est due à la courbure de l’espace-temps causée par la présence de masse et d’énergie. Les trous noirs sont le résultat extrême de cette courbure, où l’espace-temps est courbé si intensément qu’il forme un gouffre sans fond.
Horizon des événements
L'horizon des événements est une limite imaginaire autour d'un trou noir. Une fois que quelque chose traverse cet horizon, il ne peut plus échapper à la gravité du trou noir.
Même la lumière, voyageant à la vitesse maximale autorisée dans l'univers , ne peut s'échapper de l'horizon des événements, donnant aux trous noirs leur apparence « noire » caractéristique.
La relativité et la distorsion du temps
La relativité générale prédit que le temps et l’espace sont déformés à proximité des objets massifs. Cela donne lieu à des phénomènes tels que la dilatation du temps, où le temps passe plus lentement sous l'effet d'une forte gravité.
À proximité d’un trou noir, cette dilatation du temps devient extrême, ce qui signifie que le temps passe plus lentement pour un observateur éloigné que pour quelqu’un s’approchant du trou noir.
Effet de lentille gravitationnelle
Les trous noirs peuvent également agir comme des lentilles gravitationnelles, courbant la lumière des objets situés derrière eux et créant des effets de distorsion visuelle.
Cela a permis aux astronomes de détecter indirectement des trous noirs invisibles en observant leur influence sur la lumière provenant d’étoiles et de galaxies lointaines.
Les trous noirs dans notre galaxie
Notre galaxie, la Voie Lactée, abrite plusieurs trous noirs connus qui peuvent être classés en deux catégories principales : stellaires et supermassifs.
Certains des plus remarquables de la Voie Lactée sont les suivants :
- A0620-00 (V616 Monocerotis) : Il s'agit d'un trou noir stellaire binaire situé dans la constellation de la Monocéros. Sa masse est d’environ 6 à 12 fois celle de notre Soleil et elle forme un système binaire avec une étoile compagnon. C'était l'un des premiers trous noirs stellaires observés.
- Cygnus X-1 : Situé dans la constellation du Cygne, Cygnus X-1 est l'un des trous noirs stellaires les plus célèbres. Sa masse est d'environ 15 fois celle du Soleil et elle forme un système binaire avec une étoile supergéante bleue appelée HDE 226868.
- GS 2000+25 : Ce trou noir stellaire est situé dans la constellation de Pégase. Sa masse est estimée à environ 7,5 masses solaires et il fait partie d'un système binaire avec une étoile compagnon.
- Sagittaire A (Sgr A) : Au centre de la Voie lactée se trouve un trou noir supermassif appelé Sagittaire A. Sa masse équivaut à environ 4 millions de fois celle de notre Soleil. Bien qu'il soit l'un des trous noirs supermassifs les plus proches, il est difficile à observer directement en raison de sa situation au centre de la galaxie et de la présence d'une grande quantité de poussière et de gaz interstellaires.
- Trou noir au centre de la galaxie M87 : Bien que M87 soit une galaxie elliptique géante qui ne fait pas partie de la Voie Lactée, elle est connue pour abriter l'un des trous noirs supermassifs les plus massifs jamais observés. Ce trou noir a une masse d'environ 6,5 milliards de fois celle du Soleil et est situé au centre de la galaxie M87, à environ 53 millions d'années-lumière de nous.
Techniques d'observation
Les trous noirs sont des objets extrêmement denses qui n’émettent pas de lumière par eux-mêmes, ce qui rend l’observation directe difficile. Cependant, ils peuvent être détectés de plusieurs manières :
- Observation des effets sur les objets proches : Sa présence peut être détectée en observant comment elle affecte les objets proches, tels que les étoiles ou le gaz. Par exemple, si une étoile tourne autour d’un objet invisible mais très massif, des changements dans sa vitesse ou dans la lumière qu’elle émet peuvent être observés, suggérant la présence d’un trou noir.
- Émission de rayonnement électromagnétique : Bien qu'ils n'émettent pas directement de lumière, la matière qui les entoure peut émettre un rayonnement à différentes longueurs d'onde. Cela comprend le rayonnement émis par l'accrétion de matière dans le disque d'accrétion environnant, ainsi que le rayonnement généré par les jets de particules éjectées des pôles du trou noir.
- Interférométrie radio : cette technique combine les signaux de plusieurs télescopes pour créer une image détaillée de la région qui l’entoure. Le télescope Event Horizon (EHT) a utilisé l'interférométrie radio pour capturer la première image directe d'un trou noir en 2019.
Découvreur
L'existence théorique des trous noirs remonte au début du XXe siècle, mais c'est le physicien Karl Schwarzschild qui, en 1916, a développé les premières solutions exactes aux équations de champ d'Einstein décrivant ces objets en relativité générale. Plus tard, en 1939, J. Robert Oppenheimer et son étudiant Hartland Snyder démontrèrent théoriquement qu'une étoile massive épuisant son combustible nucléaire pouvait s'effondrer sous l'influence de sa propre gravité pour former un trou noir.
Cependant, l'observation directe des trous noirs est arrivée des décennies plus tard, avec la capture historique de la première image de l'un d'eux en 2019, grâce à l'Event Horizon Telescope, une réalisation collective de nombreux scientifiques et collaborateurs internationaux.