Qu'est-ce qu'un trou noir? Un guide complet des trous noirs

La plupart des gens savent que les trous noirs sont un peu effrayants. Certes, c'est vrai, mais les trous noirs sont bien plus que cela. Ce sont des merveilles vraiment fascinantes, de la façon dont ils se forment, de leurs nombreux types et même de la façon dont ils meurent. Chaque aspect des trous noirs est ahurissant si vous connaissez la vérité à leur sujet.

Que sont les trous noirs?

Les trous noirs sont très compliqués, mais commençons par les bases – ce qu'elles font, d'où elles viennent et où vous pouvez les trouver. Avant tout cela, je veux dissiper un certain mythe sur les trous noirs que les médias populaires ont peut-être perpétué (vous savez ce que vous avez fait, interstellar).

Les trous noirs sont pas trous de ver. Ils ne vous téléportent pas à une autre dimension. Ils ne vous permettent pas de voyager dans le temps. Ils ne vous envoient même pas à un point différent de l'espace. Ce ne sont que de grandes masses avec tellement de gravité qu'ils attirent tout ce qui les entoure, comme un grand monstre spatial qui n'existe que pour se nourrir, pas une passerelle magique vers un autre endroit.

Certes, nous ne le savons pas avec certitude car personne n'est jamais entré dans un trou noir personnellement, mais en ce qui concerne notre compréhension théorique des trous noirs, c'est précis.

Très bien, maintenant que nous avons cela à l'écart – un trou noir est une zone d'espace où la gravité est si forte qu'aucun objet connu ne peut échapper à sa traction au-delà d'un certain point, pas même de lumière. C'est pourquoi ils semblent noirs en premier lieu. Vous ne pouvez pas du tout voir un trou noir, vous ne pouvez voir que la question qui s'y est tirée. Après tout, si aucune lumière du trou noir lui-même n'atteint nos yeux, nous ne pouvons pas le voir.

La gravité intense d'un trou noir force compte dans un espace incroyablement petit (relativement parlant), donc ils sont incroyablement denses. Par exemple, il y a un trou noir supermassif au centre de la galaxie de la Voie lactée appelée Sagittaire A * (dit Sagittaire une étoile) avec quatre millions de fois la masse de notre Soleil. Vous pourriez penser que de tels trous noirs seraient rares, mais on estime que la Voie lactée à elle seule pourrait contenir plus de cent millions de trous noirs, bien qu'ils ne soient pas tous supermassifs. Plus à ce sujet plus tard.

Vous pouvez trouver des trous noirs dans tout l'univers car ils sont formés par des substances qui se trouvent également presque partout – stars et gaz. Les trous noirs peuvent se former de deux manières. La première façon arrive lorsqu'une étoile de masse suffisante meurt. Habituellement, une étoile supermassive avec une masse au moins trois fois celle de notre soleil. Lorsque ces étoiles manquent de carburant, elles explosent dans une supernova, laissant derrière lui une masse incroyablement dense, un trou noir de masse stellaire.

Toutes les étoiles meurent finalement, mais celles sans assez de masse pour créer un trou noir quand elles meurent laissent souvent une naine blanche ou une étoile à neutrons derrière. La deuxième façon dont un trou noir peut se former est par l'effondrement direct, bien que cela ne se soit produit que dans un passé lointain lorsque l'univers s'est formé pour la première fois. L'effondrement direct est assez compliqué et n'a été possible que dans une période spécifique de la durée de vie de notre univers, âgée d'environ 100 à 250 millions d'années.

L'essentiel est que vous aviez de grands nuages ​​d'hydrogène et d'hélium dans l'espace, baigné dans un rayonnement ultraviolet, écrasé dans un objet dense par la matière noire. Habituellement, un tel nuage se refroidirait et se fragmenterait, formant finalement des étoiles. Cependant, la présence de tout ce rayonnement ultraviolet empêche cela, et le gaz continue de se comprimer sans jamais fragmenter, ce qui crée les conditions idéales pour un trou noir supermassif comme le Sagittaire A *.

Cela dit, les conditions d'effondrement direct des trous noirs sont passées depuis longtemps, donc cette méthode de formation n'est pas possible aujourd'hui, en ce qui concerne la science humaine. Aujourd'hui, les trous noirs sont formés par diverses autres méthodes, notamment la mort d'étoiles et de fusions entre les restes stellaires compacts. Malgré un éventail limité d'origine, il existe encore plusieurs types de trous noirs dans notre univers.

Les types de trous noirs

Il existe de nombreux types de trous noirs: stellaire, supermassif, intermédiaire et binaire. Techniquement, il existe un autre type, connu sous le nom de trous noirs primordiaux, mais ce sont des trous noirs théorisés formés au début de l'univers. Ces trous noirs sont hypothétiques et il n'y a techniquement aucune preuve concrète qu'elles existent, donc pour l'instant, nous nous concentrerons sur les trous noirs dont nous connaissons.

Trous noirs stellaires

Des trous noirs stellaires se forment lorsqu'une étoile de masse importante meurt. Lorsqu'une étoile manque de carburant, elle s'effondre sur elle-même. S'il n'y a pas assez de masse, une naine blanche ou une étoile à neutrons sera probablement laissée pour compte. Mais s'il y a suffisamment de masse, l'effondrement continuera de se comprimer dans un très petit point (appelé singularité), créant un trou noir stellaire.

Ces trous noirs ont tendance à être plus petits que les autres types mais sont également incroyablement denses. Par exemple, un trou noir stellaire pourrait s'adapter à une masse plusieurs fois plus que notre soleil dans une zone aussi petite qu'une ville sur Terre. Cela génère à son tour une tonne de force gravitationnelle, tirant dans d'autres objets à proximité, tels que la poussière et le gaz de la galaxie environnante. Cela permet aux trous noirs stellaires de pousser à des tailles bien au-delà de la masse de l'étoile d'origine dont ils se sont formés.

Trous noirs supermassifs

Les trous noirs supermassifs sont les plus grands de tous les types. On estime qu'ils ont des masses des millions ou des milliards de fois plus que notre soleil, même si certains d'entre eux sont plus petits – certains trous noirs supermassifs sont inférieurs à la moitié du diamètre du soleil. On pense qu'un trou noir supermassif se trouve au centre de presque toutes les galaxies connues. Tout comme les trous noirs stellaires, ce type peut continuer à atteindre des tailles encore plus grandes en consommant la matière de la galaxie qui l'entoure.

Les scientifiques ne sont pas entièrement sûrs de la façon dont les trous noirs supermassifs se forment, mais ils ont plusieurs théories. Peut-être que des centaines ou des milliers de trous noirs plus petits fusionnent en un supermassif. Les grappes de matière noire pourraient être responsables. Peut-être que l'effondrement d'un cluster stellaire entier pourrait créer un trou noir supermassif. Une théorie populaire est que les trous noirs supermassifs peuvent être le résultat d'une formation directe d'effondrement pendant les premiers stades de l'univers.

Bien que nous ne connaissions pas les détails de leur formation, le fait demeure que les trous noirs supermassifs sont les plus grands de tous en termes de masse.

Trous noirs de masse intermédiaire

Pendant le plus longtemps, les gens ont pensé que les trous noirs ne sont venus en deux tailles – très petits et extrêmement grands. Mais ces dernières années, les scientifiques ont découvert le modèle intermédiaire, des trous noirs intermédiaires. Honnêtement, il n'y a rien de particulièrement spécial dans ces trous noirs. Ils ne sont pas aussi petits que des trous noirs stellaires, et ils ne sont pas aussi grands que les trous noirs supermassifs, et c'est vraiment ça.

Cela dit, il y a encore beaucoup à apprendre des trous noirs intermédiaires, car l'origine de leur formation pourrait conduire l'humanité à une nouvelle compréhension de la façon dont les choses fonctionnent dans l'univers. Si ces trous noirs sont de nature primordiale, ils pourraient nous dire beaucoup de choses sur les premiers jours de l'univers. S'ils ont un moyen de formation différent, comme des fusions successives de trous noirs ou de nains blancs, nous pourrions également apprendre quelque chose de nouveau.

Actuellement, l'hypothèse préférée est que les trous noirs intermédiaires se forment lorsque plusieurs étoiles dans un cluster entrent en collision et créent une réaction en chaîne, et leur masse combinée rend le nouveau trou noir qui est plus grand qu'un trou noir stellaire ordinaire, mais pas aussi grand que supermassif. Ils sont également supposés exister au centre des galaxies naines, qui sont plus petites que le type habituel. Pour l'instant cependant, nous ne savons pas comment ils se forment avec certitude.

Trous noirs binaires

Un système de trous noirs binaires est lorsque deux trous noirs sont en train de fusionner, ils tournent donc les uns autour des autres sur une orbite diminuée progressivement. Ils peuvent tous deux tourner dans la même direction ou les même directions opposées. Finalement, ces deux trous noirs fusionneront ensemble, mais cela peut prendre beaucoup de temps pour que cela se produise. À part leur proximité les uns des autres, il n'y a rien d'unique dans ces trous noirs, qui ne sont généralement que deux types stellaires. Ils produisent cependant des ondes gravitationnelles incroyablement intenses, cependant, que les astronomes peuvent désormais mesurer.

À quoi ressemblent les trous noirs?

Bien qu'il soit impossible de « voir » un trou noir avec vos yeux, les scientifiques ont pu déterminer à quoi ils ressemblent en lisant les émissions de rayonnement des trous noirs alors qu'ils attirent la masse autour d'eux. Parfois, ce matériau peut bloquer les émissions et rendre plus difficile de voir à quoi ressemble un trou noir, ce qui est souvent le cas avec des trous noirs supermassifs. En tout cas, l'humanité a une assez bonne idée de ce à quoi ressemblent les trous noirs.

Pour commencer, il y a trois couches: un horizon d'événement extérieur et intérieur et la singularité elle-même. L'horizon de l'événement est le point où la gravité devient si intense que, si elle est croisée, une particule ne pourra pas s'échapper. Le trou noir réel lui-même, le point de l'espace-temps où se trouve sa masse, est la singularité. Parfois, la matière peut être éjectée de l'horizon de l'événement et jetée dans l'espace à une vitesse proche, créant des jets d'énergie brillants.

Alors, décomposons à quoi tout cela ressemble et les parties elles-mêmes. Pour commencer, la singularité ne peut pas être vue. C'est le centre même du trou noir, au-delà de l'horizon de l'événement où aucune lumière ne peut s'échapper. L'horizon d'événement lui-même est en fait la partie « noire » d'un trou noir – le grand objet sphérique que vous imaginez en pensant à un trou noir. Juste à l'extérieur de l'horizon de l'événement se trouve un anneau de lumière appelé la sphère photonique.

Les photons sont émis par le plasma chaud des jets ou du disque d'accrétion autour du trou noir. Habituellement, ils voyageaient en ligne droite, mais la gravité intense de la singularité les plie autour de lui-même, créant une bague lumineuse. En dehors de cela se trouve le disque d'accrétion, qui est une énorme masse tourbillonnante de toute la poussière, de l'essence et d'autres matières, le trou noir tire en lui-même. Cette question est accélérée à une vitesse proche de la lumière, ce qui le faisait émettre de l'énergie que nous pouvons détecter et «voir».

Enfin, il y a les jets relativistes. Ce sont d'énormes poutres de particules et de rayonnement émises des pôles du trou noir lorsque la matière est éjectée loin de l'horizon de l'événement et est tirée dans l'espace. Les jets relativistes sont massifs et peuvent s'étendre pendant des milliers d'années-lumière, voire des centaines de milliers d'années-lumière.

En fin de compte, notre compréhension de ce à quoi ressemblent les trous noirs est encadré presque entièrement par les instruments, avec notre compréhension visuelle réelle d'eux limitée à quelques images prises au cours de la dernière décennie, qui sont toutes un peu floues. Il faudra probablement un certain temps avant que l'humanité ne puisse clairement voir de nos propres yeux à quoi ressemble clairement un trou noir.

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Les trous noirs sont incroyablement mystérieux, et bien que nous en sachions beaucoup à leur sujet, il y a toujours de nouvelles découvertes à faire sur ces gueules lointaines et leur faim cosmique insatiable. Malheureusement, ils sont trop loin pour enquêter de près, donc nos recherches sont limitées aux mesures des instruments que nous avons ici sur Terre. Même ainsi, il ne fait aucun doute que nous découvrirons des choses plus étonnantes sur les trous noirs à l'avenir.