Les trous noirs font partie des objets les plus extrêmes de l’univers, mais ils ne sont pas tous identiques. Les astronomes les classent en quatre grandes catégories basées principalement sur la masse : les trous noirs stellaires, intermédiaires, supermassifs et les trous noirs primordiaux encore théoriques. Chaque type raconte une histoire différente sur la manière dont l’univers construit sa structure à travers le temps cosmique.
Trous noirs stellaires : Le type le plus courant
Les trous noirs stellaires se forment lorsqu’une étoile dont la masse dépasse environ 20 fois celle du Soleil épuise son combustible nucléaire et que son cœur s’effondre sous sa propre gravité. L’effondrement déclenche une explosion de supernova, et il ne reste qu’un objet si dense que son attraction gravitationnelle empêche même la lumière de s’en échapper.
Ces trous noirs vont typiquement de quelques masses solaires à environ 100 masses solaires. Ils sont dispersés dans les galaxies, souvent dans des systèmes binaires où ils aspirent le gaz d’une étoile compagne. Le gaz qui tombe chauffe et émet des rayons X, ce qui permet aux astronomes de détecter la plupart des trous noirs stellaires. Cygnus X-1, découvert dans les années 1970, a été le premier candidat trou noir largement accepté et reste un exemple classique.
Les astronomes estiment que la Voie lactée pourrait contenir jusqu’à 100 millions de trous noirs stellaires, bien que seulement une cinquantaine aient été confirmés. Les observatoires d’ondes gravitationnelles comme LIGO et Virgo détectent régulièrement des fusions entre paires de ces objets, fournissant des mesures précises de masse et de spin qui aident à cartographier la population.
Trous noirs supermassifs : Les géants galactiques
À l’autre extrémité de l’échelle se trouvent les trous noirs supermassifs, avec des masses allant de centaines de milliers à des milliards de fois celle du Soleil. Ces objets résident au centre de presque toutes les grandes galaxies, y compris la Voie lactée.
Sagittarius A-star, le trou noir supermassif au cœur de notre galaxie, a une masse d’environ 4 millions de Soleils. Le trou noir au centre de la galaxie Holmberg 15A fait au moins 40 milliards de masses solaires, ce qui le place parmi les plus lourds connus.
Comment les trous noirs supermassifs deviennent-ils si grands reste une question ouverte en astrophysique. Certains se seraient formés par l’effondrement direct d’énormes nuages de gaz dans l’univers primitif. D’autres auraient grandi par des fusions répétées avec des trous noirs plus petits et par une alimentation régulière en gaz et étoiles environnants. Les observations montrent que certains trous noirs supermassifs étaient déjà en place moins d’un milliard d’années après le Big Bang, ce qui pousse les théories de formation à expliquer une croissance rapide précoce.
Lorsque les trous noirs supermassifs consomment activement de grandes quantités de matière, ils alimentent certains des objets les plus brillants de l’univers : les quasars et les noyaux actifs de galaxies. Le télescope Event Horizon a produit la première image directe de l’ombre d’un trou noir en ciblant les trous noirs supermassifs de M87 et de la Voie lactée.
Trous noirs intermédiaires : Le maillon manquant
Entre les catégories stellaire et supermassive se trouve une population qui a longtemps frustré les astronomes. Les trous noirs intermédiaires, allant d’environ 100 à 100 000 masses solaires, devraient exister en grand nombre. Les collisions entre trous noirs stellaires au cours du temps cosmique auraient dû produire un continuum de tailles. Pourtant, les exemples confirmés restent rares.
Plusieurs candidats prometteurs ont été identifiés. Le télescope spatial Hubble en a imagé un, désigné 3XMM J215022.4-055108, avec une masse estimée d’environ 50 000 Soleils. En 2019, LIGO a détecté GW190521, un signal d’onde gravitationnelle provenant de la fusion de deux trous noirs qui a produit un objet final de 142 masses solaires, se situant carrément dans la gamme intermédiaire.
Les scientifiques pensent que les trous noirs intermédiaires pourraient être les germes à partir desquels les trous noirs supermassifs se développent. En trouver suffisamment comblerait une lacune critique dans le tableau évolutif. On pense qu’ils se cachent dans des environnements stellaires denses tels que les amas globulaires et les galaxies naines, où des fusions répétées et l’accrétion de gaz pourraient progressivement augmenter leur masse.
Trous noirs primordiaux : Un fossile cosmique
La quatrième catégorie reste hypothétique. Les trous noirs primordiaux auraient pu se former non pas à partir d’étoiles en effondrement, mais à partir de fluctuations de densité dans la première seconde après le Big Bang, lorsque l’univers était encore assez chaud et dense pour que des poches de matière s’effondrent directement en trous noirs.
Ces objets pourraient couvrir une gamme de masses énorme, de moins du poids d’un trombone jusqu’à 100 000 masses solaires. Les plus petits trous noirs primordiaux se seraient évaporés par rayonnement de Hawking il y a longtemps, mais les plus grands pourraient encore exister aujourd’hui.
Aucun trou noir primordial n’a jamais été confirmé, ce qui en fait l’un des domaines de recherche théorique les plus actifs. Certains cosmologistes ont proposé qu’ils pourraient constituer une partie ou la totalité de la matière noire de l’univers. D’autres suggèrent qu’ils pourraient être les germes à partir desquels les premiers trous noirs supermassifs se sont développés. Les relevés à venir et les observations d’ondes gravitationnelles pourraient aider à trancher la question.
Les frontières entre ces catégories ne sont pas rigides. Les scientifiques continuent de réévaluer où un type se termine et où un autre commence. Ce qui les unit tous, c’est la même physique de base : une région de l’espace-temps où la gravité a triomphé, et où les règles de l’univers ordinaire ne s’appliquent plus.
Images :
- Illustration d’un trou noir stellaire aspirant la matière d’une étoile compagne (NASA)
- Composite multi-longueurs d’onde du trou noir supermassif Sagittarius A-star (NASA/ESA/CXC/STScI)
- Image Hubble du candidat trou noir intermédiaire 3XMM J215022.4-055108 (NASA/ESA/D. Lin)
- Illustration conceptuelle de la formation d’un trou noir primordial (NASA)
Traduit par Lydie