Les composants de l’Univers

Les trous noirs sont caractérisés par quelques paramètres fondamentaux :

• Masse: Les trous noirs peuvent avoir des masses très différentes, allant de quelques masses solaires pour les trous noirs stellaires à des milliards de masses solaires pour les trous noirs supermassifs au centre des galaxies.
• Rayon de Schwarzschild: C’est le rayon de l’horizon des événements, à partir duquel rien ne peut s’échapper.
• Singularité: Au centre du trou noir se trouve une singularité gravitationnelle, un point de densité infinie où les lois de la physique telles que nous les connaissons cessent d’être valables.
• Rotation: De nombreux trous noirs tournent sur eux-mêmes à des vitesses très élevées, ce qui déforme l’espace-temps autour d’eux et crée une région appelée ergosphère.

La vidéo ci-contre « L’apport des trous noirs » (ARTE) decrit plus en détail ce que sont ces objets et leur impact sur le construction du cosmos.

• Les trous noirs stellaires: Ils se forment à la fin de la vie d’étoiles très massives, lorsque leur cœur s’effondre sur lui-même.
• Les trous noirs de masse intermédiaire: Leur existence est encore débattue, mais certains candidats ont été identifiés dans des amas globulaires.
• Les trous noirs supermassifs: Ils se trouvent au centre de la plupart des galaxies et peuvent atteindre des masses de plusieurs milliards de masses solaires.

Les quasars :

Les quasars sont des noyaux actifs extrêmement lumineux au centre de galaxies. Ils sont alimentés par des trous noirs supermassifs en croissance active. Ils émettent une quantité d’énergie colossale sur toutes les longueurs d’onde du spectre électromagnétique. Contrairement à la plupart des trous noirs, les trous noirs au cœur des quasars engloutissent de grandes quantités de matière à des vitesses vertigineuses, ce qui crée un intense rayonnement et des jets de particules relativistes. Les quasars sont souvent associés à ces jets de plasma qui s’étendent sur des milliers d’années-lumière et qui peuvent influencer la formation des étoiles dans leur galaxie hôte. Les quasars sont souvent situés à des milliards d’années-lumière de nous, ce qui en fait des outils précieux pour étudier l’Univers jeune et sa formation.

Les trous noirs stellaires se forment lors de l’explosion en supernova d’une étoile très massive.

Les trous noirs supermassifs auraient pu se former par l’effondrement direct de grandes quantités de matière au début de l’Univers ou par la fusion de nombreux trous noirs de plus petite taille.

Bien que l’on considère souvent les trous noirs comme des objets éternels, la théorie de la Relativité Générale et la Mécanique Quantique suggèrent qu’ils pourraient ne pas l’être. Selon le rayonnement de Hawking, les trous noirs émettraient des particules, entraînant une perte de masse très lente au fil du temps. Ce processus, extrêmement lent pour les trous noirs stellaires, pourrait conduire à leur évaporation complète. Les trous noirs supermassifs, en raison de leur masse considérable, mettraient des durées astronomiques à s’évaporer complètement.

 La vidéo ci-dessus de la NASA montre, pour la première fois, un trou noir engloutissant une étoile.

Les astronomes utilisent de nombreux instruments pour étudier les trous noirs, notamment des télescopes spatiaux comme Hubble , le James Webb Space Telescope, Chandra, XMM-Newton et IXPE.

Les ondes gravitationnelles, détectées par des instruments comme Ligo et Virgo, ouvrent également une nouvelle fenêtre sur l’univers des trous noirs, permettant d’observer des événements tels que la fusion de trous noirs.

Les chercheurs s’intéressent particulièrement à :

• La formation et l’évolution des trous noirs: Comment les trous noirs supermassifs ont-ils pu se former si rapidement après le Big Bang ? Quel est le rôle exact des trous noirs dans l’évolution des galaxies ?
• La nature de la matière et de l’espace-temps au voisinage d’un trou noir: Les effets de marée au voisinage d’un trou noir sont extrêmement intenses et peuvent déchirer les objets qui s’en approchent. Les scientifiques cherchent à mieux comprendre comment la matière se comporte dans ces conditions extrêmes.
• Le destin de l’information qui tombe dans un trou noir: Le paradoxe de l’information pose la question de savoir si l’information qui pénètre dans un trou noir est définitivement perdue ou si elle réapparaît sous une autre forme. (voir également le chapitre « La théorie de la relativité quantique à boucles » dans la page « Les théories d’unification »)

• La nature de la singularité: Les recherches actuelles visent principalement à concilier la Relativité Générale et la Mécanique Quantique dans les conditions des trous noirs, en explorant des théories comme la Gravité Quantique à Boucles ou la Théorie des Cordes (voir la page « Les théories d’unification »). On cherche également à observer indirectement les effets de la singularité à travers l’étude des ondes gravitationnelles et du rayonnement Hawking.
• Les trous noirs primordiaux: Ces trous noirs hypothétiques, formés juste après le Big Bang, pourraient constituer une partie de la matière noire. Leur détection serait une révolution en cosmologie.
• Les trous de ver: Ces ponts potentiels entre différentes régions de l’espace-temps, souvent associés aux trous noirs, sont l’objet de nombreuses spéculations.
• L’évaporation des trous noirs: Comme nous l’avons vu plus haut, selon la théorie de Hawking, les trous noirs émettent un rayonnement, appelé rayonnement de Hawking, qui entraîne leur évaporation lente. Ce sujet reste l’objet de recherches actives.
• Les trous noirs et les multivers: Certains théoriciens envisagent la possibilité que les trous noirs puissent être des portes d’entrée vers d’autres univers. (voir également le paragraphe « Théories alternatives » dans la page « La forme de l’univers »)

De nombreuses missions spatiales sont prévues pour les prochaines décennies, avec pour objectif d’étudier les trous noirs de manière plus approfondie. Parmi elles, on peut citer  LISA (Laser Interferometer Space Antenna), un observatoire spatial d’ondes gravitationnelles qui permettra de détecter les fusions de trous noirs supermassifs. Le lancement de cet instrument est actuellement prévu par l’ESA pour 2032.

Mais de futurs télescopes terrestres vont également prochainement contribuer à une meilleure compréhension des trous noirs. C’est notamment le cas du Giant Magellan Telescope (GMT) qui promet d’améliorer encore la résolution et la sensibilité des observations. Ce télescope, supervisé par un consortium constitué principalement d’organisations et d’universités américaines, sera installé dans le désert d’Atacama au Chili et devrait être opérationnel à partir de 2029.