Corollaire à la théorie d'Einstein
En 1916, Karl Schwarzschild prédit les trous noirs comme un phénomène théorique.
Sursauts gamma
Dans les années 1930, l'astrophysicien indien SubramanianChandrasekhar a étudié ce qui arrive à une étoile lorsqu'elle manque de carburant. Il a découvert que le résultat final dépend de la masse de l'étoile. Si cette étoile est vraiment grande, disons, avec une masse de 20 Soleils, alors son noyau dense s'effondre en un trou noir.
Sursauts gamma détectés par des équipements au sol. (Crédit image : NASA / Swift / Cruz deWilde)
Tout cela se produit incroyablement vite, dansen quelques secondes et libère une énorme quantité d’énergie sous la forme d’un sursaut gamma. Cette éruption peut émettre autant d’énergie dans l’espace qu’une étoile ordinaire en émet au cours de sa vie entière. Et les télescopes sur Terre ont détecté plusieurs événements de ce type où naissent des trous noirs, malgré une distance de plusieurs milliards d'années-lumière.
Ondes gravitationnelles
Les trous noirs n'existent pas toujours isolément -parfois, ils apparaissent par paires, en orbite l'un autour de l'autre. Lorsqu’ils font cela, l’interaction gravitationnelle entre eux crée des ondulations dans l’espace-temps qui se propagent sous forme d’ondes gravitationnelles. Soit dit en passant, il s'agit d'une autre prédiction de la théorie de la relativité d'Einstein.
Vue d'artiste des ondes gravitationnelles.Les trous noirs en orbite créent des ondulations dans l'espace-temps qui se déplacent vers l'extérieur sous la forme d'ondes gravitationnelles (Image avec l'aimable autorisation de R. Hurt / Caltech-JPL)
Des observatoires tels que LIGO et Virgo donnent aux scientifiquesla capacité de détecter ces ondes. Des physiciens ont annoncé la première découverte liée à la fusion de deux trous noirs en 2016. À mesure que la sensibilité du détecteur augmente, les scientifiques détectent d'autres événements qui ont déclenché des ondes gravitationnelles. Par exemple, la collision entre un trou noir et une étoile à neutrons, qui a eu lieu bien au-delà de la Voie lactée, à une distance de 650 millions à 1,5 milliard d'années-lumière de la Terre.
Satellite invisible
Une autre preuve de l'existence des trous noirs— leur influence gravitationnelle sur d'autres étoiles. En observant la paire habituelle d’étoiles en rotation HR 6819 en 2020, les astronomes ont remarqué des bizarreries dans leur mouvement.
L'estampe de l'artiste montre les orbites des objets dans le système triple HR 6819. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de L. Calzada / ESO)
Ils ne peuvent s'expliquer que par la présencetroisième objet complètement invisible. Les scientifiques ont calculé sa masse - elle s'est avérée être quatre fois celle du Soleil - et ont réalisé qu'il ne pouvait s'agir que d'un trou noir. D'ailleurs, c'est l'une des plus proches de la Terre, située à seulement 1000 années-lumière de celle-ci.
Objet radiographique
Le tout premier objet reconnu par les scientifiquesl'objet Cygnus X-1 (ou Cyg X-1) est devenu un trou noir. Il s'agit d'une source de rayons X dans la constellation du Cygne, découverte en 1964. Presque immédiatement, les astronomes ont supposé que la source du rayonnement était un trou noir, situé dans un système binaire avec une supergéante bleue. Cependant, de nombreux experts pensaient que toutes les preuves de son existence étaient indirectes et que Cygnus X-1 pourrait être, par exemple, une étoile à neutrons. L’astronome britannique et vulgarisateur scientifique Stephen Hawking a parié en 1974 que ce n’était pas le cas.
Le principal obstacle à la reconnaissance de Cygnus X-1 comme trou noir est l'incertitude quant à la distance à l'objet. Cependant, en 2011, les astronomes l'ont calculé.
Le trou noir Cygnus X-1 tire de la matière d'une étoile compagnon bleue massive. (Image avec l'aimable autorisation de la NASA / CXC)
Les auteurs du nouveau travail ont analysé les donnéescollectées par les radiotélescopes Very Long Baseline Array. Selon les scientifiques, la distance jusqu'à Cygnus X-1 est de 6 050 années-lumière ± 400 années-lumière. De plus, la masse de la supergéante bleue est 19 fois celle du Soleil, et la source de rayons X elle-même est 14,8 fois la masse solaire.
La nouvelle valeur de masse est bien supérieure à la valeur critiquela limite qui sépare une étoile à neutrons et un trou noir (après la « mort », une grande étoile peut se transformer en l’un de ces objets). Ainsi, les nouveaux travaux prouvent que le tout premier trou noir en est bien un.
Trous noirs supermassifs
Les données des scientifiques indiquent qu'en plus deIl existe des trous noirs ordinaires et des trous supermassifs. Chacun d'eux a des millions voire des milliards de masses solaires, et ils se cachent au centre des galaxies depuis le tout début de l'histoire de l'Univers.
Au centre de notre galaxie se trouve un trou noir supermassif dans une région connue sous le nom de Sagittaire A.
(Crédit image : ESA - C. Carreau)
Selon la NASA, les trous noirs centraux dansles galaxies sont entourées de disques d'accrétion qui émettent un rayonnement intense à toutes les longueurs d'onde de la lumière. Les scientifiques ont la preuve que l'un d'entre eux - l'objet massif et compact Sgr A * (Sagittarius A *) - est situé au centre de la Voie lactée. Plus les étoiles en sont proches, plus elles tournent - jusqu'à 8% de la vitesse de la lumière. Le trou noir central de la Voie lactée est actuellement estimé à environ 4 millions de masses solaires.
Spaghettification
Plus de preuves de l'existence de trous noirs -c'est de la spaghettification. Au cours de ce processus, l'énorme force gravitationnelle du trou noir tire l'objet en brins minces. Cela se produit généralement avec une étoile qui s'est approchée d'un trou noir. En octobre 2020, les astronomes ont assisté à une spaghettification. Ils ont vu un éclair de lumière provenant d'une étoile alors qu'un trou noir la déchirait. Cela s'est produit dans une galaxie à 215 millions d'années-lumière de la Terre.
Et enfin - une image directe
En avril 2019, les scientifiques ont obtenu la toute première image directe du trou noir supermassif au centre de la galaxie active Messier 87.
Disque d'accrétion
Cette photographie a été prise par des astronomes utilisantle télescope Event Horizon. En fait, il ne s'agit pas d'un instrument, mais d'un vaste réseau de télescopes dispersés dans le monde. La photo montre clairement l'ombre sombre d'un trou noir solaire de 6,5 milliards contre la lueur orange du disque d'accrétion environnant.
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LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un observatoire laser-interférométrique d'ondes gravitationnelles.
Virgo est un détecteur d'ondes gravitationnelles franco-italien situé à l'EGO (European Gravitational Observatory).