Qu'est-ce qu'un trou noir ? Formation, types et trous noirs observés

Une définition simple

Un trou noir est une région de l'espace où la matière est si concentrée que rien ne peut en ressortir, pas même la lumière. Sa frontière s'appelle l'horizon des événements. Ce n'est pas une surface solide : c'est une limite de non-retour, au-delà de laquelle toutes les trajectoires mènent vers l'intérieur.

N'importe quelle masse peut devenir un trou noir si on la comprime assez. La Terre devrait tenir dans une bille d'environ 1,8 cm de diamètre ; le Soleil, dans une boule de 6 km.

Comment naît un trou noir

La plupart des trous noirs que nous connaissons sont des cadavres d'étoiles. Une étoile massive brûle son combustible pendant quelques millions d'années ; quand son cœur ne produit plus assez d'énergie pour résister à son propre poids, il s'effondre en une fraction de seconde. Selon la masse et la composition de l'étoile, l'effondrement laisse une étoile à neutrons ou un trou noir, avec ou sans explosion de supernova.

Le seuil n'est pas net : les modèles suggèrent qu'il faut une étoile de départ d'environ 20 à 25 masses solaires au moins, mais la rotation, la composition chimique et la présence d'une étoile compagne changent l'issue. Les plus petits trous noirs connus pèsent environ 3 masses solaires, et la frontière avec les étoiles à neutrons reste débattue.

Les trous noirs grossissent ensuite en avalant du gaz ou en fusionnant entre eux, ce que les détecteurs d'ondes gravitationnelles observent depuis 2015. L'origine des trous noirs supermassifs, déjà présents moins d'un milliard d'années après le Big Bang, reste une question ouverte.

Quatre familles

• Stellaires, de quelques masses solaires à une centaine : les restes d'étoiles massives, comme Cygnus X-1 ou Gaia BH1.
• Intermédiaires, d'une centaine à environ cent mille masses solaires : longtemps introuvables, ils sont désormais attestés, par exemple par la fusion GW190521 qui a produit un trou noir d'environ 142 masses solaires.
• Supermassifs, de cent mille à plus de dix milliards de masses solaires : au centre de presque toutes les grandes galaxies. Celui de la galaxie Holm 15A, mesuré directement par le mouvement de ses étoiles, atteint environ 40 milliards de masses solaires.
• Primordiaux : hypothétiques, ils se seraient formés juste après le Big Bang. Aucun n'a été détecté à ce jour.

Anatomie d'un trou noir

• L'horizon : la frontière de non-retour, de rayon r_s.
• La sphère de photons, à 1,5 r_s : la lumière peut y tourner en orbite. Elle dessine l'ombre visible sur les images de l'EHT.
• Le disque d'accrétion : du gaz qui spirale vers le trou noir et chauffe jusqu'à émettre des rayons X. Pour un trou noir sans rotation, sa dernière orbite stable est à 3 r_s.
• Les jets : certains trous noirs projettent de la matière à une vitesse proche de celle de la lumière, sur des milliers d'années-lumière. M87 en possède un célèbre.
• La singularité : là où la relativité générale prédit une densité infinie et cesse de s'appliquer. Penrose a montré en 1965 qu'elle est inévitable dans un effondrement ; une théorie quantique de la gravité devrait la remplacer.

Les trous noirs que l'on connaît

• Cygnus X-1 : environ 21 masses solaires à 7 200 années-lumière. Repéré par ses rayons X, il est devenu dans les années 1970 le premier objet largement accepté comme trou noir.
• Gaia BH1 : 9,6 masses solaires à environ 1 560 années-lumière, dans la constellation d'Ophiuchus. Découvert en 2022 grâce au satellite Gaia, c'est le trou noir connu le plus proche de nous.
• Gaia BH3 : 33 masses solaires à environ 1 930 années-lumière, annoncé en 2024. C'est le plus massif des trous noirs stellaires connus dans la Voie lactée.
• Sgr A* : environ 4,3 millions de masses solaires, au centre de notre galaxie, à 27 000 années-lumière. Sa masse est mesurée grâce aux étoiles qui tournent autour, un travail récompensé par le prix Nobel 2020 (Reinhard Genzel et Andrea Ghez, avec Roger Penrose).
• M87* : 6,5 milliards de masses solaires, à 55 millions d'années-lumière. Le premier trou noir photographié.

Image réelle

Image réelle

Comment voit-on un objet invisible ?

Un trou noir n'émet rien, mais il trahit sa présence de quatre façons : par le mouvement des étoiles qui l'entourent, par la lumière du gaz qu'il chauffe, par les ondes gravitationnelles qu'il émet en fusionnant, et par son ombre. Pour obtenir les images ci-dessus, l'Event Horizon Telescope a combiné des radiotélescopes répartis sur toute la planète, observant à 1,3 mm de longueur d'onde, comme un télescope virtuel de la taille de la Terre.

Et si vous vous demandez ce qui arriverait en tombant dedans, la réponse est sur cette page.