Les trous noirs dans l'Univers
Les trous noirs sont des objets extrêmement compacts dont la gravité est si intense que, au-delà de l'horizon des événements, même la lumière ne peut plus s'échapper.
En astrophysique, un trou noir est un objet extrêmement compact dont le champ
gravitationnel est si intense qu'au-delà de son horizon des événements, aucune
matière ni aucun rayonnement ne peut revenir vers l'extérieur.
Les trous noirs eux-mêmes n'émettent pas de lumière que nous puissions observer
directement. Ils peuvent cependant être étudiés grâce aux effets qu'ils produisent
sur leur environnement : mouvements des étoiles, gaz chauffé dans un disque
d'accrétion, rayons X, jets de particules et ondes gravitationnelles.
La matière qui tombe vers un trou noir peut être fortement chauffée avant de franchir l'horizon des événements. Cette matière peut alors produire un rayonnement très intense, notamment dans le domaine des rayons X.
Un trou noir de masse stellaire peut se former après l'effondrement du cœur d'une étoile massive. Les trous noirs peuvent ensuite augmenter leur masse en accrétant de la matière ou en fusionnant avec d'autres trous noirs. Les trous noirs supermassifs, dont la masse peut atteindre des millions ou même des milliards de fois celle du Soleil, se trouvent généralement au centre des grandes galaxies.
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Certaines observations de galaxies ont montré des trous noirs dont la masse
semble particulièrement importante par rapport à celle de leur galaxie hôte.
NGC 1277, par exemple, a fait l'objet d'études consacrées à son trou noir
central, dont la masse avait été estimée à plusieurs milliards de masses solaires.
Les estimations et leur interprétation ont fait l'objet de discussions
scientifiques.
Galaxie NGC 4261, vue par le télescope spatial Hubble, avec une structure de gaz et de poussière associée à son noyau actif.
Les différentes catégories de trous noirs
On distingue notamment :
- les trous noirs de masse stellaire ;
- les trous noirs de masse intermédiaire, dont plusieurs candidats sont étudiés ;
- les trous noirs supermassifs présents au centre de nombreuses grandes galaxies.
Les observations sont généralement indirectes : les astronomes étudient le comportement des étoiles, du gaz et de la lumière autour d'un objet que l'on ne voit pas directement.
Les trous noirs primordiaux
Les trous noirs primordiaux sont des objets hypothétiques qui auraient pu se former dans l'Univers très jeune, peu après le Big Bang, dans des régions où la densité aurait été suffisamment élevée. Ils constituent une possibilité étudiée pour expliquer une partie de la matière noire, mais leur existence n'a pas été démontrée à ce jour.
Un trou noir très massif
Des observations astronomiques ont permis d'identifier des trous noirs dont
la masse atteint plusieurs milliards de fois celle du Soleil.
De tels objets se trouvent généralement au centre de galaxies et peuvent
avoir une influence considérable sur leur environnement.
Il existe également une hypothèse concernant des trous noirs primordiaux beaucoup plus petits. Certains modèles prévoient même que les trous noirs de très faible masse auraient pu disparaître au cours du temps par un processus théorique appelé évaporation de Hawking. Aucune observation n'a cependant confirmé l'existence de tels trous noirs primordiaux.
Pour comprendre un trou noir, on parle souvent de vitesse de libération. Sur Terre, cette vitesse est d'environ 11,2 km/s. Dans un trou noir, l'horizon des événements marque une limite au-delà de laquelle aucune information ne peut revenir vers un observateur extérieur. Le trou noir n'est donc pas un trou vide dans l'espace. Il correspond à une région de l'espace-temps dans laquelle la gravité est extrêmement intense.
La matière qui s'approche d'un trou noir peut former un disque d'accrétion. Elle tourne autour du trou noir et peut être chauffée à des températures extrêmes. Le rayonnement produit par cette matière permet aux astronomes d'étudier indirectement le trou noir.
La région centrale est décrite par la relativité générale comme une singularité, mais les conditions physiques extrêmes qui règnent à l'intérieur de l'horizon restent encore mal comprises.
Image de Science et Vie Junior
(simplifiée et adaptée par moi)
La découverte de Cygnus X-1
Le satellite Uhuru, lancé en 1970, a permis d'étudier de nombreuses sources de rayons X. L'une des sources les plus célèbres est Cygnus X-1. L'étoile HDE 226868 possède un compagnon invisible très massif. Les mouvements de l'étoile et les rayonnements observés ont fourni des indices importants en faveur de la présence d'un trou noir. Cygnus X-1 est devenu l'un des premiers objets considérés comme un candidat solide au statut de trou noir.
Comment se forme un trou noir stellaire ?
Lorsqu'une étoile massive arrive à la fin de son évolution, son cœur peut s'effondrer. Selon la masse du cœur restant et les conditions physiques, l'effondrement peut conduire à la formation d'une étoile à neutrons ou d'un trou noir. Les détails de l'explosion d'une supernova et de la formation du trou noir dépendent de la masse et de la structure de l'étoile.
Un trou noir en pleine activité
Au centre de certaines galaxies, des trous noirs supermassifs peuvent
accumuler d'importantes quantités de matière.
Lorsqu'une étoile s'approche trop près d'un trou noir, elle peut être
fortement déformée et, dans certains cas, être partiellement ou totalement
détruite par les forces de marée.
Une partie de la matière peut alors produire un puissant rayonnement et
parfois des jets de particules.
Un exemple célèbre est l'événement Swift J1644+57, observé en 2011. Il a été interprété comme la manifestation d'un événement de destruction d'une étoile par un trou noir supermassif. Le satellite Swift de la NASA avait détecté une émission extrêmement énergétique provenant d'une galaxie très lointaine.
La matière attirée par le trou noir peut être accélérée et chauffée.
Dans certaines circonstances, des jets de particules peuvent être éjectés
à des vitesses proches de celle de la lumière.
Ces jets sont observés dans différentes longueurs d'onde par les
télescopes terrestres et spatiaux.
Les sursauts de rayons gamma font partie des phénomènes les plus énergétiques observés dans l'Univers. Certains sont associés à des explosions d'étoiles massives ou à des événements impliquant des objets compacts.
Le pulsar de la nébuleuse du Crabe
Le pulsar de la nébuleuse du Crabe est une étoile à neutrons en rotation
rapide.
Il s'agit du reste compact de l'étoile qui a explosé en supernova en 1054,
événement observé par des astronomes de différentes régions du monde.
Le pulsar, appelé PSR B0531+21, tourne environ trente fois par seconde.
Il produit un puissant rayonnement et alimente en énergie la nébuleuse
qui l'entoure.
Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide. Leur rayonnement peut apparaître sous forme d'impulsions extrêmement régulières lorsque leur faisceau balaie la Terre.
L'étoile qui a explosé en supernova et donné naissance à la nébuleuse du Crabe est appelée l'étoile progénitrice. Les supernovas peuvent avoir plusieurs origines. Certaines résultent de l'effondrement du cœur d'une étoile massive. D'autres, notamment les supernovas de type Ia, sont liées à des systèmes contenant une naine blanche.
Dans le cas de la nébuleuse du Crabe, la présence du pulsar montre que l'explosion était liée à l'effondrement d'une étoile massive. Les modèles indiquent que l'étoile progénitrice devait avoir une masse supérieure à celle du Soleil, mais la masse exacte reste un sujet d'étude.
La nébuleuse du Crabe contient donc au centre une étoile à neutrons,
le pulsar, entourée par les restes de l'explosion de l'étoile.
La nébuleuse du Papillon NGC 6302
NGC 6302, appelée également nébuleuse du Papillon, est une nébuleuse planétaire située à environ 4 000 années-lumière de la Terre. Son étoile centrale est extrêmement chaude. Elle est entourée par une importante quantité de gaz et de poussières qui ont été expulsés au cours de son évolution. L'image réalisée par le télescope spatial Hubble montre une structure complexe de gaz ionisé et de poussières.
L'étoile centrale a perdu une grande partie de sa matière et évolue vers le stade de naine blanche.
La matière noire
Les galaxies semblent contenir beaucoup plus de masse que celle que nous pouvons observer directement. Les étoiles situées dans les régions extérieures des galaxies tournent à des vitesses qui ne s'expliquent pas simplement par la masse visible. Les amas de galaxies présentent eux aussi des effets gravitationnels qui indiquent la présence d'une masse supplémentaire invisible. Cette composante inconnue est appelée matière noire.
La matière noire n'a pas été observée directement comme la matière ordinaire. Son existence est déduite de ses effets gravitationnels, notamment sur les mouvements des galaxies, les amas de galaxies et la lumière déviée par gravitation. Sa nature physique reste inconnue.
Pendant longtemps, les astronomes ont essayé de déterminer quelle proportion
de l'Univers correspond à la matière que nous connaissons.
Les mesures cosmologiques, notamment celles du satellite Planck, donnent
une image beaucoup plus précise.
Selon les résultats de Planck, environ :
- 4,9 % de matière ordinaire ;
- 26,8 % de matière noire ;
- 68,3 % d'énergie sombre.
Ces pourcentages décrivent la densité de masse-énergie de l'Univers dans le modèle cosmologique utilisé pour interpréter les observations. La matière ordinaire représente donc seulement une petite partie du contenu total de l'Univers.
L'énergie sombre
L'Univers est en expansion et les observations montrent que cette expansion est actuellement accélérée. Pour expliquer cette accélération dans le modèle cosmologique standard, les scientifiques utilisent le terme énergie sombre. Sa nature profonde reste inconnue. Il pourrait s'agir d'une propriété du vide, ou d'un phénomène physique encore mal compris. D'autres modèles cosmologiques sont également étudiés.
Les astronomes peuvent également étudier la matière noire grâce à la
lentille gravitationnelle.
La relativité générale d'Albert Einstein prévoit que la lumière est déviée
lorsqu'elle passe à proximité d'une concentration importante de matière.
En observant ces déformations, les astronomes peuvent cartographier
indirectement la répartition de la masse dans les galaxies et les amas.
La matière noire et l'énergie sombre sont donc deux problèmes différents. La matière noire intervient principalement dans l'explication des effets gravitationnels observés à différentes échelles. L'énergie sombre est utilisée pour expliquer l'accélération de l'expansion cosmique.
Des recherches continuent pour comprendre leur véritable nature. Certaines théories proposent également de modifier notre compréhension de la gravitation plutôt que d'introduire de nouvelles composantes invisibles. Ces possibilités font toujours l'objet de recherches et de confrontations avec les observations.
Sources et lectures complémentaires :
NASA - Black Holes
ESA - Mission Planck
Sciences et Vie / Sciences et Vie Junior
Wikipédia - articles scientifiques consultés et simplifiés
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