Qu’est-ce qu’un trou noir ?

C’était en 2019 : un trou noir venait d’être imagé pour la toute première fois. Cette avancée, très attendue par les scientifiques, avait été particulièrement médiatisée. D’ailleurs, une autre image de ce même trou noir a depuis été diffusée, montrant le champ magnétique au bord de l’objet. Puis, en 2022, nous avons vu un autre trou noir supermassif, celui situé au centre de la Voie lactée.

Les « anneaux de feu » qui se détachent du fond noir de ces photos rappellent à quel point les trous noirs sont des objets fascinants et mystérieux, dont les astronomes ont encore beaucoup à apprendre.

Mais, qu’est-ce qu’un trou noir exactement ? Quels sont les différents types de trous noirs connus ? Un trou noir peut-il mourir ? La Terre risque-t-elle de croiser un trou noir ? Voici tout ce qu’il faut savoir sur ces objets astronomiques imprévisibles.

Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Même si son nom pourrait le laisser supposer, un trou noir n’est pas un endroit de l’espace vide. Au contraire, un trou noir est une région de l’espace où s’accumule une très grande quantité de matière. Pour se représenter un trou noir, on peut, par exemple, imaginer la masse d’une étoile, 10 fois plus massive que notre propre Soleil, contenue dans une sphère faisant le diamètre de la ville de New York, indique la Nasa.

Un trou noir possède un champ gravitationnel, si intense qu’aucune matière qui y pénètre ne peut plus en ressortir, y compris la lumière. C’est pourquoi les trous noirs sont des objets optiquement invisibles. Par contre, il est possible de détecter la matière happée par un trou noir, car elle est chauffée à de très hautes températures. Cette matière forme un disque d’accrétion, qui ressemble à un halo lumineux sur les rares photos de trou noir dont nous disposons. Le disque d’accrétion tourne (mais, le trou noir lui-même ne tourne pas forcément).

Quels sont les différents types de trous noirs ?

Les trous noirs sont habituellement distingués les uns des autres à partir de leur masse.

• Les trous noirs stellaires : ils représentent généralement entre 10 et 24 fois la masse du Soleil.
• Les trous noirs supermassifs : ce sont des trous noirs géants, dont la masse représente au moins un million de fois celle du Soleil. Ils peuvent être encore plus imposants : un trou noir de 40 milliards de masses solaires a été mesuré. M87*, le premier trou noir qui a été photographié, est aussi un trou noir supermassif. La source radio Sagittarius A*, au centre de la Voie lactée, est également associée à un trou noir supermassif.
• Les trous noirs intermédiaires : comme leur nom l’indique, ils sont à mi-chemin entre les trous noirs stellaires et les trous noirs supermassifs. Leur masse représenterait quelques milliers de fois celle du Soleil. Pour la première fois, une preuve directe de leur existence a été observée en septembre 2020.

Certaines hypothèses avancent l’existence de trous noirs encore plus petits que les plus petits déjà connus, ou au contraire de trous noirs « incroyablement grands » — sans preuves assez solides de l’existence de tels objets, pour l’instant.

Pour aller plus loin

Quelle est la différence entre les deux photos de trous noirs ?

Comment se forment les trous noirs ?

Il est admis que les trous noirs stellaires naissent lorsqu’une étoile s’effondre sur elle-même. Cette étoile doit être suffisamment massive pour former un trou noir : notre Soleil ne pourrait pas en devenir un, par exemple. Pour former un trou noir stellaire, il faut que le noyau résiduel laissé par l’étoile soit supérieur à trois masses solaires.

La formation des trous noirs supermassifs fait l’objet de débats scientifiques. On peut supposer que la formation de ces trous noirs géants a lieu sur de longues échelles de temps, compte tenu de leur taille. Pourtant, on sait que des trous noirs supermassifs étaient déjà présents dans l’univers encore jeune. Ces objets n’ont donc pas pu se former par accrétion d’étoiles (en « gobant » la matière d’étoiles, ce qui leur permet de grossir).

La formation des trous noirs intermédiaires serait quant à elle expliquée par une réaction en chaîne : une collision d’étoiles situées dans des amas très denses, qui entraînerait une accumulation d’étoiles très massives. Leur effondrement donnerait naissance à des trous noirs de masse intermédiaire. La fusion de trous noirs intermédiaire pourrait même donner naissance à des trous noirs supermassifs.

Pour aller plus loin

Ce trou noir gobe l’équivalent de la Terre chaque seconde

Qu’y a-t-il dans un trou noir ?

Même s’il est fortement déconseillé de visiter un trou noir (la Nasa l’a rappelé dans une vidéo beaucoup trop mignonne), on peut se demander ce qui se trouve à l’intérieur de ces étranges objets. Pour le savoir, il faudrait passer la « frontière » du trou noir (au sens géométrique, car ce n’est pas une membrane) que l’on appelle l’horizon des événements. Or, c’est justement le point de non-retour au-delà duquel aucun élément entrant dans le trou noir ne peut pas en ressortir.

Si vous pouviez tomber dans un trou noir pour voir ce qui s’y trouve, que se passerait-il ? Vous n’auriez probablement pas le temps de voir grand-chose, car vous seriez étiré tel un spaghetti (les scientifiques parlent d’ailleurs de spaghettification). Puisque rien n’échappe à un trou noir, il est impossible de savoir ce qui se trouve au centre de cet objet, dans ce que l’on appelle sa singularité.

Faute de pouvoir réellement approcher un trou noir, on peut utiliser des simulations pour mieux les connaître.

Où va ce qui entre dans un trou noir ?

La matière qui entre dans le trou noir se retrouverait comprimée dans un même point central, une singularité gravitationnelle. Nos conceptions du temps et de l’espace s’effondrent dans cette singularité.

Comment sait-on qu’ils existent, si on ne peut pas les voir ?

Puisque les trous noirs sont des objets optiquement invisibles, on peut se demander comment nous savons qu’ils existent. Les scientifiques ont des moyens de les étudier. Ils peuvent, par exemple, étudier les effets que provoque un trou noir sur son environnement proche (les étoiles, le gaz autour du trou noir). Les rayons X émis par un trou noir, notamment quand une étoile s’en approche, sont aussi très utiles. Autre astuce des chercheurs, depuis leur découverte en 2015 : les ondes gravitationnelles. Elles jouent un véritable rôle de « messager cosmique » pour découvrir et étudier des trous noirs.

Pour aller plus loin

Il a fallu 25 ans pour capter le brouhaha des plus grands trous noirs

Quel est le trou noir le plus proche de la Terre ?

D’après les dernières avancées scientifiques, le trou noir le plus proche de la Terre connu est nommé Gaia BH1. Il se trouve à moins de 1 600 années-lumière de nous. Sa masse est estimée à 10 fois celle du Soleil.

Quel est le trou noir le plus puissant ?

Le trou noir le plus monstrueux que l’on connaisse est TON 618, un colosse de 40 milliards de masses solaires. Son ombre est si gigantesque qu’un faisceau de lumière mettrait des semaines à la traverser. Ce trou noir se trouve à environ 18,2 milliards d’années-lumière de la Terre.

Combien y a-t-il de trous noirs dans l’univers ?

On ne peut évidemment pas compter le nombre de trous noirs présents dans l’univers sur les doigts de sa main. Mais, les scientifiques font des estimations. On pense ainsi, que, dans l’univers observable, il y aurait 40 milliards de milliards de trous noirs. Ou 40 000 000 000 000 000 000.

Quelle est la durée de vie d’un trou noir ?

Stephen Hawking a mis en évidence un paradoxe : les trous noirs ne le sont pas totalement, car ils émettent des particules et peuvent s’évaporer, jusqu’à disparaitre totalement. Ce phénomène se produit sous la forme d’un rayonnement, appelé rayonnement de Hawking.

À cause de ce rayonnement, les trous noirs ont une durée de vie limitée. Néanmoins, pour certains trous noirs, le temps qu’il faudrait afin qu’ils s’évaporent totalement est plus important que l’âge de l’univers.

Faut-il avoir peur des trous noirs ?

Certaines étoiles malchanceuses sont happées par des trous noirs. On peut assister à ce phénomène de très loin, même lorsqu’il a lieu à des milliards d’années-lumière de nous. D’autres étoiles s’en sortent mieux, comme cet astre expulsé du trou noir de la Voie lactée. Leur sort peut faire craindre qu’un jour, ce soit notre planète qui croise le chemin d’un trou noir. Pourtant, le danger est ailleurs.

Si quelque chose doit nous faire peur, ce n’est pas la rencontre avec un trou noir, mais la rencontre avec une autre étoile. Il y a beaucoup plus de chance de croiser la route d’une étoile (l’astre le plus commun de notre galaxie) que celle d’un trou noir.