Les trous noirs sont des objets dans l'univers avec tellement de masse piégée à l'intérieur de leurs frontières qu'ils ont des champs gravitationnels incroyablement puissants. En fait, la force gravitationnelle d'un trou noir est si forte que rien ne peut s'échapper une fois à l'intérieur. Même la lumière ne peut pas s'échapper d'un trou noir, elle est emprisonnée à l'intérieur avec des étoiles, du gaz et de la poussière. La plupart des trous noirs contiennent plusieurs fois la masse de notre Soleil et les plus lourds peuvent avoir des millions de masses solaires.
Malgré toute cette masse, la singularité réelle qui forme le noyau du trou noir n'a jamais été vue ou imagée. C'est, comme le mot l'indique, un petit point dans l'espace, mais il a BEAUCOUP de masse. Les astronomes ne peuvent étudier ces objets que par leur effet sur le matériau qui les entoure. Le matériau autour du trou noir forme un disque rotatif qui se trouve juste au-delà d'une région appelée "l'horizon des événements", qui est le point gravitationnel de non-retour.
La structure d'un trou noir
Le "bloc de construction" de base du trou noir est la singularité: une région précise de l'espace qui contient toute la masse du trou noir. Autour d'elle se trouve une région de l'espace d'où la lumière ne peut s'échapper, donnant son nom au «trou noir». Le "bord" extérieur de cette région est ce qui forme l'horizon des événements. C'est la frontière invisible où l'attraction du champ gravitationnel est égale à la vitesse de la lumière. C'est également là que la gravité et la vitesse de la lumière sont équilibrées.
La position de l'horizon des événements dépend de l'attraction gravitationnelle du trou noir. Les astronomes calculent l'emplacement d'un horizon d'événements autour d'un trou noir en utilisant l'équation Rs = 2GM / c2. R est le rayon de la singularité, g est la force de gravité, M est la masse, c est la vitesse de la lumière.
Types de trous noirs et comment ils se forment
Il existe différents types de trous noirs, et ils se produisent de différentes manières. Le type le plus courant est connu sous le nom de trou noir de masse stellaire. Ceux-ci contiennent à peu près jusqu'à quelques fois la masse de notre Soleil et se forment lorsqu'ils sont grands séquence principale les étoiles (10 à 15 fois la masse de notre Soleil) manquent de combustible nucléaire dans leurs noyaux. Le résultat est un énorme explosion de supernova qui projette les couches externes des étoiles dans l'espace. Ce qui reste s'effondre pour créer un trou noir.
Les deux autres types de trous noirs sont les trous noirs supermassifs (SMBH) et les micro trous noirs. Un seul SMBH peut contenir la masse de millions ou de milliards de soleils. Les micro trous noirs sont, comme leur nom l'indique, très minuscules. Ils pourraient n'avoir peut-être que 20 microgrammes de masse. Dans les deux cas, les mécanismes de leur création ne sont pas entièrement clairs. Les micro trous noirs existent en théorie mais n'ont pas été directement détectés.
On trouve que des trous noirs supermassifs existent dans les noyaux de la plupart des galaxies et leurs origines sont encore vivement débattues. C'est possible ces trous noirs supermassifs sont le résultat d'une fusion entre de petits trous noirs de masse stellaire et d'autres matière. Certains astronomes suggèrent qu'ils pourraient être créés lorsqu'une seule étoile très massive (des centaines de fois la masse du Soleil) s'effondre. Quoi qu'il en soit, ils sont suffisamment massifs pour affecter la galaxie de nombreuses manières, allant des effets sur les taux de naissance des étoiles aux orbites des étoiles et des matériaux à proximité.
Des micro-trous noirs, en revanche, pourraient être créés lors de la collision de deux particules de très haute énergie. Les scientifiques suggèrent que cela se produit en continu dans la haute atmosphère de la Terre et est susceptible de se produire lors d'expériences de physique des particules dans des endroits tels que le CERN.
Comment les scientifiques mesurent les trous noirs
Puisque la lumière ne peut pas s'échapper de la région autour d'un trou noir affecté par l'horizon des événements, personne ne peut vraiment "voir" un trou noir. Cependant, les astronomes peuvent les mesurer et les caractériser par les effets qu'ils ont sur leur environnement. Les trous noirs qui sont proches d'autres objets exercent un effet gravitationnel sur eux. D'une part, la masse peut également être déterminée par l'orbite du matériau autour du trou noir.
En pratique, les astronomes déduisent la présence du trou noir en étudiant le comportement de la lumière autour de lui. Les trous noirs, comme tous les objets massifs, ont suffisamment d'attraction gravitationnelle pour courber le chemin de la lumière lorsqu'elle passe. Au fur et à mesure que les étoiles derrière le trou noir se déplacent par rapport à lui, la lumière émise par elles apparaîtra déformée ou les étoiles sembleront se déplacer d'une manière inhabituelle. À partir de ces informations, la position et la masse du trou noir peuvent être déterminées.
Cela est particulièrement apparent dans les amas de galaxies où la masse combinée des amas, leur matière noire et leur les trous noirs créent des arcs et des anneaux aux formes étranges en courbant la lumière d'objets plus éloignés lors de son passage.
Les astronomes peuvent également voir les trous noirs par le rayonnement que dégage le matériau chauffé autour d'eux, comme les rayons radio ou les rayons X. La vitesse de ce matériau donne également des indices importants sur les caractéristiques du trou noir qu'il tente d'échapper.
Rayonnement Hawking
La dernière façon dont les astronomes pourraient éventuellement détecter un trou noir est par le biais d'un mécanisme appelé Rayonnement Hawking. Nommé pour le célèbre physicien théoricien et cosmologiste Stephen HawkingLe rayonnement de Hawking est une conséquence de la thermodynamique qui nécessite que l'énergie s'échappe d'un trou noir.
L'idée de base est qu'en raison des interactions naturelles et des fluctuations du vide, la matière sera créée sous la forme d'un électron et d'un anti-électron (appelé positron). Lorsque cela se produit près de l'horizon des événements, une particule sera éjectée loin du trou noir, tandis que l'autre tombera dans le puits gravitationnel.
Pour un observateur, tout ce qui est "vu" est une particule émise par le trou noir. La particule serait considérée comme ayant une énergie positive. Cela signifie, par symétrie, que la particule qui est tombée dans le trou noir aurait une énergie négative. Le résultat est qu'à mesure qu'un trou noir vieillit, il perd de l'énergie, et donc perd de la masse (selon la célèbre équation d'Einstein, E = MC2, où E= énergie, M= masse, et C est la vitesse de la lumière).
Édité et mis à jour par Carolyn Collins Petersen.