Composition d'un trou noir

Lorsque vous entendez l'expression "trou noir", cela évoque presque certainement un sentiment de mystère et d'émerveillement, peut-être teinté d'un élément de danger. Alors que le terme "trou noir" est devenu synonyme dans le langage courant de "un endroit où va quelque chose, qui ne sera jamais vu encore une fois", la plupart des gens sont familiers avec son utilisation dans le monde de l'astronomie, sinon nécessairement avec des caractéristiques précises et définitions.

Pendant des décennies, l'un des refrains les plus courants résumant les trous noirs a été celui d'un « endroit où la gravité est si forte, même pas la lumière peut s'échapper." Bien que ce soit un résumé assez précis pour commencer, il est naturel de se demander comment une telle chose a pu arriver pour commencer avec.

D'autres questions abondent. Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un trou noir? Existe-t-il différents types de trous noirs? Et quelle est la taille typique d'un trou noir, en supposant qu'une telle chose existe et puisse être mesurée? Le lancement du télescope Hubble a révolutionné la façon dont les trous noirs pouvaient être étudiés.

Avant d'approfondir le sujet des trous noirs - et des mauvais jeux de mots - il est utile de passer en revue la terminologie de base utilisée pour définir les propriétés et la géométrie des trous noirs.

Plus particulièrement, chaque trou noir a en son centre effectif, unsingularité, qui se compose de matière si comprimée qu'elle est presque une masse ponctuelle. L'énorme densité qui en résulte produit un champ gravitationnel si puissant qu'à une certaine distance, même les photons, qui sont les « particules » de lumière, ne peuvent se libérer. Cette distance est connue sous le nom deRayon de Schwarzchild; dans un trou noir non rotatif (et vous découvrirez le type le plus dynamique dans une section suivante), la sphère invisible avec ce rayon avec la singularité en son centre forme lehorizon des événements​.

Bien sûr, rien de tout cela n'explique d'où viennent réellement les trous noirs. Apparaissent-ils spontanément et à des endroits aléatoires à travers le cosmos? Si oui, y a-t-il une prévisibilité à leur apparence? Compte tenu de leur puissance tant vantée, il serait utile de savoir si un trou noir envisage de s'installer à proximité du système solaire terrestre.

L'existence de trous noirs a été proposée pour la première fois dans les années 1700, mais les scientifiques de l'époque ne disposaient pas des instruments nécessaires pour confirmer ce qu'ils avaient proposé. Au début des années 1900, l'astronome allemand Karl Schwarzchild (oui, celui-là) a utilisé la théorie d'Einstein relativité pour établir le comportement le plus important physiquement des trous noirs - leur capacité à « piéger » la lumière.

En théorie, d'après les travaux de Schwarzchild, n'importe quelle masse pourrait servir de base à un trou noir. La seule exigence est que son rayon après avoir été compressé ne dépasse pas son rayon Schwarzchild.

L'existence des trous noirs a présenté aux physiciens une énigme, bien que séduisante à tenter de résoudre. On pense que grâce à la courbure de l'espace-temps résultant de l'extraordinaire force de gravité au voisinage du trou noir, les lois de la physique s'effondrent en effet; parce que l'horizon des événements est inaccessible à l'analyse humaine, ce conflit n'est en effet pas vraiment un conflit pour les astrophysiciens.

Si l'on considère la taille du trou noir comme la sphère formée par l'horizon des événements, la densité est bien différente que si le noir le trou est traité à la place uniquement comme l'étoile effondrée ridiculement minuscule avec une masse formant la singularité (plus à ce sujet dans un moment).

Les scientifiques pensent que les trous noirs peuvent être aussi petits que certains atomes, tout en possédant la masse d'une montagne sur Terre. D'un autre côté, certains peuvent être jusqu'à environ 15 fois plus massifs que le soleil tout en étant minuscules (mais pas de taille atomique). Celles-citrous noirs stellairesse trouvent dans toutes les galaxies, y compris la Voie lactée, dans laquelle résident la Terre et le système solaire.

D'autres trous noirs peuvent être beaucoup, beaucoup plus gros. Celles-citrous noirs supermassifspeut être plus d'un million de fois plus massive que le soleil, et chaque galaxie en aurait un en son centre. Celui au centre de la Voie Lactée, surnomméSagittaire A, est assez grand pour contenir quelques millions de Terres, mais ce volume est pâle par rapport à la masse de l'objet - estimée à 4 millions de soleils.

Plutôt que de se former et d'apparaître de manière imprévisible, une menace légèrement évoquée précédemment, on pense que les trous noirs se forment en même temps que les objets plus grands dans lesquels ils vivent." On pense que de minuscules trous noirs se sont formés en même temps que le cosmos lui-même est né, à l'époque du Big Bang, près de 14 milliards d'années. depuis.

En conséquence, les trous noirs supermassifs au sein des galaxies individuelles se forment au moment où ces galaxies fusionnent pour exister à partir de la matière interstellaire. D'autres trous noirs se forment à la suite d'un événement violent appelésupernova​.

Une supernova est la mort implosive, ou "traumatique", d'une étoile, par opposition à une étoile qui s'éteint comme une gigantesque braise céleste. De tels événements se produisent lorsqu'une étoile a tellement épuisé son carburant qu'elle commence à s'effondrer sous sa propre masse. Cette implosion se traduit par une explosion de rebond qui rejette une grande partie de ce qui reste de l'étoile, laissant une singularité à sa place.

L'un des problèmes susmentionnés pour les physiciens est que la densité de la portion du trou noir considérée comme la singularité ne peut pas être calculé autrement qu'infiniment, car on ne sait pas à quel point la masse est réellement petite (par exemple, quel est le petit volume occupe). Pour calculer de manière significative la densité d'un trou noir, son rayon de Schwarzchild doit être utilisé.

Un trou noir de masse terrestre a une densité théorique d'environ 2 × 10²⁷ g/cm³ (pour référence, la densité de l'eau n'est que de 1 g/cm³). Une telle ampleur est pratiquement impossible à replacer dans le contexte de la vie quotidienne, mais les résultats cosmiques sont prévisibles uniques. Pour calculer cela, vous divisez la masse par le volume après avoir "corrigé" le rayon en utilisant les masses relatives du trou noir et du soleil, comme le montre l'exemple suivant.

​Exemple de problème :Un trou noir a une masse d'environ 3,9 millions (3,9 × 10⁶) soleils, la masse du soleil étant de 1,99 × 10³³ grammes, et est supposée être une sphère avec un rayon de Schwarzchild de 3 × 10⁵ cm. Quelle est sa densité ?

Tout d'abord, trouvez lerayon effectif de la sphère formant l'horizon des événementsen multipliant le rayon de Schwarzchild par le rapport de la masse du trou noir à celle du soleil, donné comme 3,9 millions :

Calculez ensuite le volume de la sphère, trouvé à partir de la formule V = (4/3)πr³:

Enfin, divisez la masse de la sphère par ce volume pour obtenir la densité. Parce que l'on vous donne la masse du soleil et le fait que la masse du trou noir est 3,9 millions de fois plus grande, vous pouvez calculer cette masse comme (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. La densité est donc :

Les astronomes ont produit différents systèmes de classification des trous noirs, l'un basé uniquement sur la masse et l'autre basé sur la charge et la rotation. Comme indiqué en passant ci-dessus, la plupart (sinon tous) des trous noirs tournent autour d'un axe, comme la Terre elle-même.

La classification des trous noirs en fonction de la masse donne le système suivant :

• ​Trous noirs primordiaux :Ceux-ci ont des masses similaires à celle de la Terre. Celles-ci sont purement hypothétiques et peuvent avoir été formées par des perturbations gravitationnelles régionales immédiatement après le Big Bang.
• ​Trous noirs de masse stellaire :Mentionnés précédemment, ceux-ci ont des masses comprises entre environ 4 et 15 masses solaires et résultent de l'effondrement « traditionnel » d'une étoile plus grande que la moyenne au terme de sa durée de vie.
• ​Trous noirs de masse intermédiaire :Non confirmés en 2019, ces trous noirs - environ quelques milliers de fois plus massifs que le soleil - peuvent exister dans certains amas d'étoiles, et aussi plus tard peuvent s'épanouir en trous noirs supermassifs.
• ​Trous noirs supermassifs :Également mentionnés précédemment, ceux-ci revendiquent entre un million et un milliard de masses solaires et se trouvent au centre des grandes galaxies.

Dans un schéma alternatif, les trous noirs peuvent être classés en fonction de leur rotation et de leur charge à la place :

• ​Trou noir de Schwarzschild :Aussi connu sous le nom detrou noir statique, ce type de trou noir ne tourne pas et n'a pas de charge électrique. Il est donc caractérisé par sa seule masse.
• ​Trou noir de Kerr :C'est un trou noir en rotation, mais comme un trou noir de Schwarzschild, il n'a pas de charge électrique.
• ​Trou noir chargé :Ceux-ci se déclinent en deux variétés. Un chargé,non rotatifle trou noir est connu comme unTrou noir de Reissner-Nordstrom, tandis qu'un chargé,tournantle trou noir est appelé unTrou noir de Kerr-Newman​.

Vous auriez raison de commencer à vous demander comment les scientifiques ont tiré autant de conclusions sûres sur des objets qui, par définition, ne peuvent pas être visualisés. Une grande partie de la connaissance des trous noirs a été déduite du comportement et de l'apparence d'objets relativement proches. Lorsqu'un trou noir et une étoile sont suffisamment proches l'un de l'autre, un type particulier de rayonnement électromagnétique à haute énergie se produit et peut alerter les astronomes.

De gros jets de gaz peuvent parfois être vus se projeter depuis les "extrémités" d'un trou noir; parfois, ce gaz peut fusionner en une forme vaguement circulaire connue sous le nom dedisque d'accrétion. Il est en outre théorisé que les trous noirs émettent une sorte de rayonnement appelé, de manière appropriée,rayonnement de trou noir(ou alorsRayonnement Hawking). Ce rayonnement peut s'échapper du trou noir du fait de la formation de couples "matière-antimatière" (ex.électronsetpositrons) juste à l'extérieur de l'horizon des événements, et l'émission subséquente des seuls membres positifs de ces paires sous forme de rayonnement thermique.

Avant le lancement de laLe télescope spatial Hubbleen 1990, les astronomes s'étaient longtemps interrogés sur des objets très lointains qu'ils nommaientquasars, une compression d'"objets quasi-stellaires". Comme des trous noirs supermassifs, dont l'existence était découverts plus tard, ces objets à haute énergie tourbillonnant rapidement se trouvent au centre de grandes galactique. Les trous noirs sont maintenant considérés comme les entités qui déterminent le comportement des quasars, qui ne se trouvent qu'à d'énormes distances car ils existaient dans la relative enfance du cosmos; leur lumière atteint tout juste la Terre après quelque 13 milliards d'années de transit.

Certains astrophysiciens ont proposé que les galaxies qui semblent être des types de base différents lorsqu'elles sont vues de la Terre peuvent en fait être du même type, mais avec des côtés différents présentés vers la Terre. Parfois, l'énergie du quasar est visible et fournit une sorte d'effet "phare" en termes de la façon dont la Terre les instruments enregistrent l'activité du quasar, alors qu'à d'autres moments les galaxies semblent plus "silencieuses" en raison de leur orientation.