Pendant des siècles, les trous noirs n’étaient que des idées théoriquement spéculatives.
Ce minuscule fragment du champ profond GOODS-N, imagé par de nombreux observatoires, dont Hubble, Spitzer, Chandra, XMM-Newton, Herschel, le VLT et bien d’autres, contient un point rouge apparemment banal. Cet objet, un hybride quasar-galaxie datant d’à peine 730 millions d’années après le Big Bang, pourrait être la clé pour percer le mystère de l’évolution galaxie-trou noir. Autrefois spéculatives, les preuves de l’existence physique et de l’ubiquité des trous noirs sont désormais accablantes.
Le concept est apparu pour la première fois en 1783, lorsque John Michell les a proposés.
Cette image du Soleil, prise le 20 avril 2015, montre un certain nombre de caractéristiques communes à toutes les étoiles : boucles magnétiques, proéminences, filaments de plasma et régions de températures plus élevées et plus basses. Le Soleil est moins dense que la Terre, mais beaucoup plus grand et plus massif, et a une vitesse d’échappement de sa surface beaucoup plus grande que celle de la Terre. Si le Soleil maintenait la même densité mais avait 500 fois sa masse actuelle, avec l’augmentation correspondante de volume, il s’effondrerait lui-même en un trou noir, comme l’a montré pour la première fois en 1783 John Michell, même en gravité newtonienne.
Si vous mainteniez la densité du Soleil mais augmentiez sa masse, la lumière ne pourrait pas s’échapper au-dessus d’environ 500 masses solaires.
À l’intérieur d’un trou noir, la courbure de l’espace-temps est si grande que la lumière ne peut s’échapper, ni les particules, en aucune circonstance. Une singularité, basée sur nos lois actuelles de la physique, doit être inévitable, bien que la nature de cette singularité ne soit pas bien comprise dans le seul contexte de la relativité générale.
Bien qu’aucune n’ait été observée, l’idée a refait surface avec la solution de 1916 de Karl Schwarzschild dans la relativité générale d’Einstein.
Si vous commencez avec une configuration de masse fixe et liée, et qu’il n’y a pas de forces ou d’effets non gravitationnels présents (ou qu’ils sont tous négligeables par rapport à la gravité), cette masse s’effondrera toujours inévitablement en un trou noir. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles un univers statique et non en expansion est incompatible avec la relativité d’Einstein.
Avec une masse suffisante dans un volume spatial donné, l’effondrement en trou noir devient inévitable.
De l’extérieur d’un trou noir, toute la matière entrante émettra de la lumière et sera toujours visible, tandis que rien de derrière l’horizon des événements ne pourra sortir. Mais si vous étiez celui qui tombait dans un trou noir, votre énergie pourrait en théorie réapparaître dans le cadre d’un Big Bang chaud dans un Univers nouveau-né ; le lien entre les trous noirs et la naissance de nouveaux univers est encore spéculatif, mais a été rejeté à nos risques et périls.
En 1963, Roy Kerr a amélioré la solution de Schwarzschild pour incorporer la rotation.
Même pour une entité compliquée comme un trou noir massif en rotation (un trou noir de Kerr), une fois que vous traversez l’horizon des événements (extérieur), quel que soit le type de matière ou de rayonnement dont vous êtes composé, vous tomberez vers le centre singularité et ajouter à la masse du trou noir. Ce qui se passe au niveau de la singularité centrale n’est cependant pas bien décrit par la physique actuelle, car son comportement est pathologique.
Parallèlement, des preuves suggestives de “trou noir” sont apparues avec la découverte des premiers quasars.
La fonction radio de la galaxie Alcyoneus comprend un trou noir actif central, des jets collimatés et deux lobes radio géants à chaque extrémité. La Voie lactée est affichée en bas pour l’échelle, ainsi que “10x la Voie lactée” pour la perspective.
Ces sources radio extragalactiques QUAsi-StellAr (QUASAR) étaient ultra-éloignées, mais brillaient brillamment dans la lumière radio et au-delà.
Cette illustration d’un quasar radio-fort intégré dans une galaxie en formation d’étoiles donne un aperçu de la façon dont les radiogalaxies géantes devraient émerger. Au centre d’une galaxie active avec un trou noir supermassif, des jets sont émis qui claquent dans le plus grand halo galactique, énergisant le gaz et le plasma et provoquant des émissions radio sous forme de jets à proximité du trou noir, puis des panaches et/ou lobes plus éloignés. Les trous noirs supermassifs et de masse stellaire ont des preuves accablantes soutenant leur existence.
Puis Cygnus X-1, un candidat trou noir émetteur de rayons X, a été trouvé dans la Voie lactée.
Découvert en 1964 comme source émettrice de rayons X compatible avec un objet stellaire en orbite autour d’un trou noir, Cygnus X-1 représente le premier candidat trou noir connu dans la Voie lactée. Cygnus X-1 est situé à proximité de grandes régions actives de formation d’étoiles dans la Voie lactée : précisément l’emplacement prévu pour trouver un binaire de trou noir émetteur de rayons X.
Pendant ce temps, Roger Penrose a démontré, astrophysiquement, comment des trous noirs pouvaient se former de manière pragmatique dans notre Univers.
Lorsque la matière s’effondre, elle peut inévitablement former un trou noir. Penrose a été le premier à élaborer la physique de l’espace-temps, applicable à tous les observateurs en tous points de l’espace et à tous les instants du temps, qui régit un tel système. Sa conception est depuis lors l’étalon-or de la relativité générale.
John Wheeler a donné le nom de “trous noirs” en 1968.
Cette vue à trois panneaux présente la région centrale de la galaxie Messier 87, qui abrite le plus grand trou noir (d’environ 6,5 milliards de masses solaires) connu à environ 100 millions d’années-lumière de nous. Le jet optique (en haut), les lobes radio (en bas à gauche) et les signatures émettrices de rayons X ultra-chauds (en bas à droite) indiquent tous la présence d’un trou noir ultramassif, récemment confirmé par les mesures directes du télescope Event Horizon.
Une fois spéculatif, le cas moderne pour eux est écrasant.
Cette vue du cocon entourant le centre galactique de la Voie lactée ne mesure qu’environ 10 années-lumière de diamètre, mais contient et est peut-être alimenté par notre trou noir supermassif central qui pèse environ 4 millions de fois la masse de notre Soleil.
Les émissions de rayons X proviennent de l’accélération, de la chute et de l’accrétion de matière.
Le 14 septembre 2013, des astronomes ont capturé la plus grande éruption de rayons X jamais détectée dans le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, connu sous le nom de Sagittarius A*. L’émission provenant du trou noir dans de nombreuses longueurs d’onde de lumière a fait allusion à ses propriétés, mais rien ne remplace une observation directe de son horizon des événements.
Des étoiles individuelles orbitent autour de ces objets massifs et non lumineux.
Ce laps de temps de 20 ans d’étoiles près du centre de notre galaxie provient de l’ESO, publié en 2018. Notez comment la résolution et la sensibilité des caractéristiques s’accentuent et s’améliorent vers la fin, toutes en orbite autour du noir supermassif central (invisible) de notre galaxie. trou. On pense que pratiquement toutes les grandes galaxies, même aux premiers temps, abritent un trou noir supermassif, mais seul celui au centre de la Voie lactée est suffisamment proche pour voir les mouvements des étoiles individuelles autour d’elle.
Les ondes gravitationnelles proviennent des deux inspirations
Le tracé le plus à jour, en novembre 2021, de tous les trous noirs et étoiles à neutrons observés à la fois électromagnétiquement et par ondes gravitationnelles. Comme vous pouvez le voir clairement, il n’y a plus « d’écart » entre 2 et 5 masses solaires ; au contraire, cette population existe et est probablement composée de trous noirs formés à partir de la fusion d’étoiles à neutrons, conformément à l’événement du 17 août 2017.
et fusions.
Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, si leur masse totale est suffisamment grande, elles n’entraîneront pas seulement une explosion de kilonova et la création omniprésente d’éléments lourds, mais conduiront à la formation d’un nouveau trou noir à partir du résidu post-fusion. Les ondes gravitationnelles et les rayons gamma de la fusion semblent voyager à des vitesses indiscernables : la vitesse de toutes les particules sans masse.
Et les émissions de photons révèlent maintenant leurs horizons,
Comparaison de taille des deux trous noirs imagés par la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) : M87*, au cœur de la galaxie Messier 87, et Sagittarius A* (Sgr A*), au centre de la Voie Lactée. Bien que le trou noir de Messier 87 soit plus facile à imager en raison de la variation lente du temps, celui autour du centre de la Voie lactée est le plus grand vu de la Terre.
y compris les polarisations,
Vue polarisée du trou noir dans M87. Les lignes marquent l’orientation de la polarisation, qui est liée au champ magnétique autour de l’ombre du trou noir. Notez à quel point cette image apparaît plus tourbillonnante que l’originale, qui ressemblait davantage à une goutte. On s’attend à ce que tous les trous noirs supermassifs présentent des signatures de polarisation imprimées sur leur rayonnement.
directement. Bienvenue à l’âge d’or des trous noirs.
Les données moyennées dans le temps à partir de plusieurs points différents dans le temps qui montrent une série d’instantanés de l’évolution du rayonnement provenant du Sagittaire A*. La structure d’image “moyenne” contredit l’évolution temporelle rapide du rayonnement autour de cet objet.
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