Trou noir
En astrophysique, les trous noirs sont des objets tellement denses que même la lumière ne peut échapper à leur pesanteur.
On pense qu'ils résultent de l'éffondrement gravitationnel d'objets astronomiques d'au moins 1,44 masse solaire.
Les observations astronomiques suggèrent que le centre de la plupart des galaxies, y compris notre propre voie lactée, contiennent des trous noirs supermassifs contenant des millions des milliards de masses solaires.
Le noyau de la galaxie M87, où l'on pense qu'il existe un trou noir supermassif. Image prise par le télescope spatial Hubble.
L'existence des trous noirs est prédite par la théorie de la relativité générale d'Einstein. En particulier, ils se produisent avec la métrique de Schwarzschild, la première et la plus simple des solutions aux équations d'Einstein et trouvée par Karl Schwarzschild en 1915. Cette solution décrit la courbure de l'espace-temps à proximité d'un objet statique et sphériquement symétrique.
Selon la solution de Schwarzschild, les objets gravitant autour d'un trou noir doivent s'éffondrer dans celui-ci si son rayon est plus petit qu'une distance caractéristique, connu sous le nom de rayon de Schwarzschild. Au-deça de cette distance, l'espace-temps est tellement courbé que toute chose, matière et même la lumière, sera inéluctablement attiré vers le centre du trou noir, et ceci indépendamment de sa direction. Une singularité gravitationnelle, c'est-à-dire une région de densité théoriquement infinie, se forme alors en cet endroit. Puisque même la lumière ne peut s'en échapper, un trou noir classique semblerait vraiment noir.
Le rayon de Schwarzschild est défini ainsi:
où G est la constante de gravitation, M la masse du trou noir et c la vitesse de la lumière.
Le rayon de Schwarzschild d'un objet de la masse de la Terre est de seulement 9 millimètres. Puisque le rayon moyen de la Terre est d'environ 6371 kilomètres, la Terre devrait être comprimée de 4×1026 fois sa densité courante avant de pouvoir s'effondrer en un trou noir. Pour un objet de la masse du soleil, le rayon de Schwarzschild est environ de 3 kilomètres, beaucoup plus petit que 700 000 kilomètres, le rayon actuel du soleil. Il est également sensiblement plus petit que le rayon que le soleil aura après avoir épuisé son carburant nucléaire, qui est de plusieurs milliers de kilomètres. Des étoiles plus massives peuvent s'effondrer en trous noirs à la fin de leur vie.
D'autres types de trou noirs, correspondant à d'autres solutions aux équations d'Einstein, telles que la métrique de Kerr pour un trou noir en rotation. La généralisation du rayon de Schwarzschild s'appele l'horizon d'événement.
Selon certaines théories, il existe des trous blancs qui seraient l'opposé des trous noirs, rejetant de la matière en permanence.
D'autres disent que l'on pourrait traverser un trou noir et émerger ailleurs (dans le même univers voire dans un autre).
Formation des trous noirs
Les trous noirs sont créés lors de l'effondrement gravitationnel des étoiles supermassives. Quand une étoile a épuisé son carburant nucléaire, l'équilibre entre la gravité et la pression de radiation est rompu et elle s'effondre. Si la masse de l'étoile est environ 3 plus grande que la masse du soleil, l'éffondrement ne peut pas être arrêté par la pression de dégénérescence des électrons (naine blanche) ou des neutrons (étoile à neutrons), et un trou noir est créé (voir l'évolution stellaire).
Au lieu de s'effondrer sur eux-mêmes sous l'effet de leur propre masse, des trous noirs pourraient également être créés par compression de matière causée par une pression externe extrême. De tels trous noirs s'appellent des trous noirs primordiaux. On pense que les énormes pressions nécessaires pour créer les trous noirs primordiaux pourraient avoir existé au tout début de l'univers, lors du Big Bang. Ces trous noirs pourraient avoir des masses plus petites que celle du soleil.
Observation des trous noirs
Il y a actuellement beaucoup d'indices qui permettent de localiser des trous noirs. Ces observations concernent deux types de trous noirs: ceux ayant la masse d'une étoile typique (4 à 15 masse solaire), et ceux ayant la masse d'une galaxie typique, trous noirs supermassifs. Ces indices ne sont pas des observations directes mais découlent du comportement des étoiles et d'autres matières existant à proximité. On n'a pas encore observé le troisième type de trou noir, les trous noirs primordiaux.
Dans le cas d'un trou noir de taille stellaire, la matière peut provenir d'une étoile compagne, qui attirée par la gravité du trou noir produit autour de celui-ci un disque d'accrétion et de grandes quantités de rayons X.
On pense que des trous noirs de 10 à 100 milliards masses solaires ont été trouvés au sein de noyaux galactiques actifs (AGN), en utilisant la radioastronomie et l'astronomie rayons X. On croit actuellement que de tels trous noirs supermassifs existent au centre de la plupart des galaxies, y compris notre propre voie lactée, en effet, Sagittarius A est maintenant considéré comme le candidat le plus plausible pour l'emplacement d'un trou noir supermassif au centre de la voie lactée.
Les trous noirs sont également les principaux candidats pour les objets astronomiques qui émettent de très grandes quantitées d'énergie tels que les quasars et les sursauts gamma.