Toute personne qui se familiarise avec l'astronomie éprouve tôt ou tard une forte curiosité pour les objets les plus mystérieux de l'Univers - les trous noirs. Ce sont de véritables seigneurs des ténèbres, capables d'« avaler » n'importe quel atome passant à proximité et ne permettant même pas à la lumière de s'échapper tant leur attraction est puissante. Ces objets constituent un véritable défi pour les physiciens et les astronomes. Les premiers ne peuvent pas encore comprendre ce qui arrive à la matière tombée à l'intérieur du trou noir, et les seconds, bien qu'ils expliquent les phénomènes spatiaux les plus énergivores par l'existence de trous noirs, n'ont jamais eu l'occasion d'en observer aucun. directement. Nous vous parlerons de ces objets célestes intéressants, découvrirons ce qui a déjà été découvert et ce qui reste à apprendre afin de lever le voile du secret.
Qu'est-ce qu'un trou noir ?
Le nom « trou noir » (en anglais - trou noir) a été proposé en 1967 par le physicien théoricien américain John Archibald Wheeler (voir photo de gauche). Il servait à désigner un corps céleste dont l'attraction est si forte que même la lumière ne se lâche pas. C'est pourquoi il est « noir » car il n'émet pas de lumière.
Observations indirectes
C'est la raison de ce mystère : comme les trous noirs ne brillent pas, nous ne pouvons pas les voir directement et sommes obligés de les rechercher et de les étudier en utilisant uniquement les preuves indirectes que leur existence laisse dans l'espace environnant. En d’autres termes, si un trou noir engloutit une étoile, nous ne pouvons pas voir le trou noir, mais nous pouvons observer les effets dévastateurs de son puissant champ gravitationnel.
L'intuition de Laplace
Bien que l'expression « trou noir » pour désigner l'hypothétique étape finale de l'évolution d'une étoile qui s'est effondrée sur elle-même sous l'influence de la gravité soit relativement récente, l'idée de la possibilité de l'existence de tels corps est née il y a plus de deux ans. il ya des siècles. L'Anglais John Michell et le Français Pierre-Simon de Laplace ont émis indépendamment l'hypothèse de l'existence d'« étoiles invisibles » ; en même temps, ils s’appuyaient sur les lois habituelles de la dynamique et sur la loi de la gravitation universelle de Newton. Aujourd'hui, les trous noirs ont reçu leur description correcte basée sur la théorie de la relativité générale d'Einstein.
Dans son ouvrage « Exposition du système du monde » (1796), Laplace écrit : « Une étoile brillante de même densité que la Terre, d'un diamètre 250 fois plus grand que le diamètre du Soleil, grâce à son effet gravitationnel, attraction, empêchent les rayons lumineux de nous atteindre. Il est donc possible que les corps célestes les plus grands et les plus brillants soient invisibles pour cette raison.
Une gravité invincible
L'idée de Laplace était basée sur le concept de vitesse de fuite (deuxième vitesse cosmique). Un trou noir est un objet si dense que sa gravité peut retenir même la lumière, qui développe la vitesse la plus élevée de la nature (près de 300 000 km/s). En pratique, s’échapper d’un trou noir nécessite des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière, mais c’est impossible !
Cela signifie qu'une étoile de ce type sera invisible, puisque même la lumière ne pourra pas vaincre sa puissante gravité. Einstein a expliqué ce fait par le phénomène de courbure de la lumière sous l’influence d’un champ gravitationnel. En réalité, à proximité d’un trou noir, l’espace-temps est si courbé que les trajectoires des rayons lumineux se referment également sur elles-mêmes. Pour transformer le Soleil en trou noir, il faudra concentrer toute sa masse dans une boule d'un rayon de 3 km, et la Terre devra se transformer en une boule d'un rayon de 9 mm !
Types de trous noirs
Il y a une dizaine d'années, des observations suggéraient l'existence de deux types de trous noirs : stellaires, dont la masse est comparable à la masse du Soleil ou la dépasse légèrement, et supermassifs, dont la masse varie de plusieurs centaines de milliers à plusieurs millions de masses solaires. . Cependant, relativement récemment, des images aux rayons X et des spectres à haute résolution obtenus à partir de satellites artificiels tels que Chandra et XMM-Newton ont mis en évidence un troisième type de trou noir - dont la masse moyenne dépasse de plusieurs milliers de fois celle du Soleil. .
Trous noirs stellaires
Les trous noirs stellaires sont devenus connus plus tôt que les autres. Ils se forment lorsqu'une étoile de grande masse, à la fin de son évolution, épuise ses réserves de combustible nucléaire et s'effondre sur elle-même sous l'effet de sa propre gravité. Une explosion qui ébranle une étoile (phénomène appelé « explosion de supernova ») a des conséquences catastrophiques : si le noyau de l'étoile fait plus de 10 fois la masse du Soleil, aucune force nucléaire ne peut résister à l'effondrement gravitationnel qui entraînera la création. d'un trou noir.
Trous noirs supermassifs
Les trous noirs supermassifs, observés pour la première fois dans les noyaux de certaines galaxies actives, ont une origine différente. Il existe plusieurs hypothèses quant à leur naissance : un trou noir stellaire qui, au cours de millions d'années, dévorera toutes les étoiles qui l'entourent ; un amas de trous noirs fusionnant ; un colossal nuage de gaz s’effondrant directement dans un trou noir. Ces trous noirs font partie des objets les plus énergétiques de l’espace. Ils sont situés au centre de nombreuses galaxies, sinon de toutes. Notre Galaxie possède également un tel trou noir. Parfois, en raison de la présence d’un tel trou noir, les noyaux de ces galaxies deviennent très brillants. Les galaxies avec des trous noirs au centre, entourés de grandes quantités de matière en chute et donc capables de produire des quantités colossales d'énergie, sont dites « actives » et leurs noyaux sont appelés « noyaux galactiques actifs » (AGN). Par exemple, les quasars (les objets cosmiques les plus éloignés de nous et accessibles à notre observation) sont des galaxies actives dans lesquelles nous ne voyons qu'un noyau très brillant.
Moyen et mini
Un autre mystère reste les trous noirs de masse moyenne, qui, selon des recherches récentes, pourraient être au centre de certains amas globulaires, tels que M13 et NCC 6388. De nombreux astronomes sont sceptiques quant à ces objets, mais de nouvelles recherches suggèrent la présence de trous noirs de masse moyenne. trous noirs de taille moyenne même près du centre de notre Galaxie. Le physicien anglais Stephen Hawking a également avancé une hypothèse théorique sur l'existence d'un quatrième type de trou noir - un « mini-trou » d'une masse de seulement un milliard de tonnes (ce qui équivaut approximativement à la masse d'une grande montagne). Nous parlons d'objets primaires, c'est-à-dire ceux qui sont apparus dans les premiers instants de la vie de l'Univers, lorsque la pression était encore très élevée. Cependant, aucune trace de leur existence n’a encore été découverte.
Comment trouver un trou noir
Il y a quelques années à peine, une lumière s'est allumée au-dessus des trous noirs. Grâce à l'amélioration constante des instruments et des technologies (tant terrestres que spatiales), ces objets deviennent de moins en moins mystérieux ; plus précisément, l'espace qui les entoure devient moins mystérieux. En fait, comme le trou noir lui-même est invisible, nous ne pouvons le reconnaître que s’il est entouré de suffisamment de matière (étoiles et gaz chauds) en orbite autour de lui à une courte distance.
Regarder les systèmes binaires
Certains trous noirs stellaires ont été découverts en observant le mouvement orbital d'une étoile autour d'un compagnon invisible dans un système binaire. Les systèmes binaires proches (c'est-à-dire constitués de deux étoiles très proches l'une de l'autre), dans lesquels l'un des compagnons est invisible, sont un objet d'observation privilégié des astrophysiciens à la recherche de trous noirs.
Une indication de la présence d’un trou noir (ou d’une étoile à neutrons) est la forte émission de rayons X provoquée par un mécanisme complexe qui peut être décrit schématiquement comme suit. Grâce à sa puissante gravité, un trou noir peut arracher la matière de son étoile compagne ; ce gaz se propage dans un disque plat et descend en spirale dans le trou noir. La friction résultant des collisions entre les particules de gaz en chute chauffe les couches internes du disque à plusieurs millions de degrés, ce qui provoque un puissant rayonnement de rayons X.
Observations aux rayons X
Les observations aux rayons X d'objets de notre Galaxie et des galaxies voisines, réalisées depuis plusieurs décennies, ont permis de détecter des sources binaires compactes, dont une douzaine environ sont des systèmes contenant des candidats trous noirs. Le principal problème est de déterminer la masse d’un corps céleste invisible. La masse (bien que peu précise) peut être déterminée en étudiant le mouvement du compagnon ou, beaucoup plus difficile, en mesurant l'intensité du rayonnement X du matériau tombant. Cette intensité est liée par une équation à la masse du corps sur lequel tombe cette substance.
Lauréat du Prix Nobel
On peut dire quelque chose de similaire pour les trous noirs supermassifs observés au cœur de nombreuses galaxies, dont les masses sont estimées en mesurant les vitesses orbitales du gaz tombant dans le trou noir. Dans ce cas, provoquée par le puissant champ gravitationnel d'un très grand objet, une augmentation rapide de la vitesse des nuages de gaz en orbite au centre des galaxies est détectée par des observations dans le domaine radio, ainsi que dans les rayons optiques. Les observations dans le domaine des rayons X peuvent confirmer la libération accrue d’énergie provoquée par la chute de matière dans le trou noir. La recherche sur les rayons X a été lancée au début des années 1960 par l'Italien Riccardo Giacconi, qui travaillait aux États-Unis. Son prix Nobel en 2002 a récompensé ses « contributions pionnières à l'astrophysique menant à la découverte de sources de rayons X dans l'espace ».
Cygnus X-1 : premier candidat
Notre Galaxie n’est pas à l’abri de la présence d’objets candidats trous noirs. Heureusement, aucun de ces objets n’est suffisamment proche de nous pour constituer une menace pour l’existence de la Terre ou du système solaire. Malgré le grand nombre de sources compactes de rayons X qui ont été identifiées (et ce sont les candidates les plus probables pour les trous noirs), nous ne sommes pas sûrs qu'elles contiennent réellement des trous noirs. La seule parmi ces sources qui n'a pas de version alternative est le système binaire proche Cygnus X-1, c'est-à-dire la source de rayonnement X la plus brillante de la constellation du Cygne.
Des étoiles massives
Ce système, dont la période orbitale est de 5,6 jours, est constitué d'une étoile bleue très brillante de grande taille (son diamètre est 20 fois celui du Soleil et sa masse est environ 30 fois plus grande), facilement visible même dans votre télescope, et d'un deuxième étoile invisible dont la masse est estimée à plusieurs masses solaires (jusqu'à 10). Située à 6 500 années-lumière, la deuxième étoile serait parfaitement visible s’il s’agissait d’une étoile ordinaire. Son invisibilité, la puissante émission de rayons X produite par le système et, enfin, l'estimation de la masse laissent penser à la plupart des astronomes qu'il s'agit de la première découverte confirmée d'un trou noir stellaire.
Les doutes
Cependant, il y a aussi des sceptiques. Parmi eux se trouve l'un des plus grands chercheurs sur les trous noirs, le physicien Stephen Hawking. Il a même fait un pari avec son collègue américain Keel Thorne, fervent partisan de la classification de l'objet Cygnus X-1 comme trou noir.
Le débat sur l’identité de l’objet Cygnus X-1 n’est pas le seul pari de Hawking. Après avoir consacré neuf années à l'étude théorique des trous noirs, il est devenu convaincu de l'erreur de ses idées antérieures sur ces objets mystérieux. En particulier, Hawking a supposé que la matière, après être tombée dans un trou noir, disparaissait pour toujours, et avec elle tout. son bagage d'informations disparaît. Il en était si sûr qu'il fit un pari sur ce sujet en 1997 avec son collègue américain John Preskill.
Admettre une erreur
Le 21 juillet 2004, dans son discours au Congrès sur la théorie de la relativité à Dublin, Hawking a admis que Preskill avait raison. Les trous noirs ne conduisent pas à la disparition complète de la matière. De plus, ils ont une certaine sorte de « mémoire ». Il se peut qu'ils contiennent des traces de ce qu'ils ont consommé. Ainsi, en « s’évaporant » (c’est-à-dire en émettant lentement un rayonnement dû à l’effet quantique), ils peuvent restituer cette information à notre Univers.
Trous noirs dans la Galaxie
Les astronomes ont encore de nombreux doutes quant à la présence de trous noirs stellaires (comme celui appartenant au système binaire Cygnus X-1) dans notre Galaxie ; mais il y a beaucoup moins de doutes sur les trous noirs supermassifs.
Dans le centre
Notre Galaxie possède au moins un trou noir supermassif. Sa source, connue sous le nom de Sagittaire A*, est précisément localisée au centre du plan de la Voie Lactée. Son nom s'explique par le fait qu'il s'agit de la source radio la plus puissante de la constellation du Sagittaire. C’est dans cette direction que se situent à la fois les centres géométriques et physiques de notre système galactique. Situé à environ 26 000 années-lumière, le trou noir supermassif associé à la source d'ondes radio Sagittarius A* a une masse estimée à environ 4 millions de masses solaires, contenue dans un espace dont le volume est comparable à celui du système solaire. Sa relative proximité avec nous (ce trou noir supermassif est sans doute le plus proche de la Terre) a conduit l'objet à faire l'objet d'une étude particulièrement approfondie par l'observatoire spatial Chandra ces dernières années. Il s’est notamment avéré qu’il s’agit également d’une puissante source de rayonnement X (mais pas aussi puissante que les sources des noyaux galactiques actifs). Le Sagittaire A* pourrait être un vestige endormi de ce qui était le noyau actif de notre Galaxie il y a des millions ou des milliards d’années.
Deuxième trou noir ?
Cependant, certains astronomes pensent qu’il existe une autre surprise dans notre Galaxie. Nous parlons d’un deuxième trou noir de masse moyenne, retenant ensemble un amas de jeunes étoiles et les empêchant de tomber dans un trou noir supermassif situé au centre même de la Galaxie. Comment se fait-il qu’à moins d’une année-lumière de lui se trouve un amas d’étoiles âgé d’à peine 10 millions d’années, c’est-à-dire très jeune selon les normes astronomiques ? Selon les chercheurs, la réponse est que l’amas n’est pas né là (l’environnement autour du trou noir central est trop hostile pour la formation d’étoiles), mais qu’il y a été « attiré » en raison de l’existence d’un deuxième trou noir à l’intérieur, qui a une masse moyenne.
En orbite
Les étoiles individuelles de l'amas, attirées par le trou noir supermassif, ont commencé à se déplacer vers le centre galactique. Cependant, au lieu de se disperser dans l’espace, ils restent rassemblés grâce à l’attraction gravitationnelle d’un deuxième trou noir situé au centre de l’amas. La masse de ce trou noir peut être estimée en fonction de sa capacité à tenir en laisse un amas d’étoiles entier. Un trou noir de taille moyenne met apparemment environ 100 ans pour orbiter autour du trou noir central. Cela signifie que des observations à long terme sur de nombreuses années nous permettront de le « voir ».
Un trou noir est une région astronomique de l’espace et du temps au sein de laquelle l’attraction gravitationnelle tend vers l’infini. Pour échapper à un trou noir, les objets doivent atteindre des vitesses bien supérieures à la vitesse de la lumière. Et comme cela est impossible, même les quanta de lumière elle-même ne sont pas émis depuis la région du trou noir. Il résulte de tout cela que la région du trou noir est absolument invisible pour l'observateur, quelle que soit sa distance. Par conséquent, il est possible de détecter et de déterminer la taille et la masse des trous noirs uniquement en analysant la situation et le comportement des objets situés à côté d'eux.
Lors du 20e Symposium sur l'astrophysique relativiste au Texas en 2001, les astronomes Carl Gebhardt et John Kormendy ont effectué des mesures pratiques des masses des trous noirs proches, donnant ainsi aux astronomes la possibilité d'obtenir des informations sur la croissance des trous noirs. Grâce à cette méthode, 19 nouveaux trous noirs ont été créés en plus des 19 déjà connus à l'époque. Tous sont supermassifs et pèsent entre un et un milliard de masses solaires. Ils sont situés au centre des galaxies.
La méthode de mesure de masse repose sur l’observation du mouvement des étoiles et des gaz à proximité des centres de leurs galaxies. De telles mesures ne peuvent être effectuées qu’à haute résolution spatiale, ce que peuvent fournir les télescopes spatiaux comme Hubble ou NuSTAR. L'essence de la méthode est d'analyser la variabilité des quasars et la circulation d'énormes gaz autour du trou. La luminosité des nuages de gaz en rotation dépend directement de l’énergie des rayons X du trou noir. Étant donné que la lumière a une vitesse strictement définie, les changements de luminosité des nuages de gaz sont visibles pour l'observateur plus tard que le changement de luminosité de la source centrale de rayonnement. En utilisant le décalage horaire, la distance entre les nuages de gaz et le centre du trou noir est calculée. En plus de la vitesse de rotation des nuages de gaz, la masse du trou noir est également calculée. Cependant, cette méthode implique une certaine incertitude, puisqu’il n’existe aucun moyen de vérifier l’exactitude du résultat final. En revanche, les données obtenues par cette méthode correspondent au rapport entre les masses des trous noirs et les masses des galaxies.
La méthode classique de mesure de la masse d'un trou noir, proposée par Schwarzschild, contemporain d'Einstein, est décrite par la formule M=r*c^2/2G, où r est le rayon gravitationnel du trou noir, c est la vitesse de la lumière. , G est la constante gravitationnelle. Or, celui-ci décrit avec précision la masse d’un trou noir isolé, non rotatif, non chargé et non évaporant.
Une toute nouvelle façon de déterminer la masse des trous noirs, qui a permis de découvrir et d'étudier les trous noirs « moyens ». Il est basé sur l’analyse des interférences radio des jets – des éjections de matière formées lorsqu’un trou noir absorbe la masse du disque qui l’entoure. La vitesse des jets peut être supérieure à la moitié de la vitesse de la lumière. Et comme la masse accélérée à de telles vitesses émet des rayons X, elle peut être enregistrée par un interféromètre radio. La méthode de modélisation mathématique de tels jets permet d'obtenir des valeurs plus précises des masses moyennes des trous noirs.
En juillet de l'année dernière, un article d'un groupe de scientifiques dirigé par des employés de l'Université de Toulouse a été publié dans Nature : le groupe recherchait des sources de rayons X ultra-puissantes - des objets dont la luminosité dépasse la luminosité maximale possible pour la masse stellaire. objets. Grâce aux observations du télescope spatial à rayons X Newton de l'Agence spatiale européenne (ESA), les scientifiques ont découvert ESO 243-29 dans la galaxie, située à 300 millions d'années-lumière (alors que la lumière du Soleil met un peu plus de 8 minutes pour atteindre la Terre). et de la plus proche une étoile non solaire nous est parvenue depuis plus de quatre ans), une source de rayons X très brillante. La luminosité maximale de cet objet est de 1.1.10 42 erg/s, ce qui est par exemple 260 millions de fois supérieure à la luminosité du Soleil dans le domaine des rayons X. La source a été nommée HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), ce qui se traduit par « source de rayons X hyper-puissante numéro un ».
L'évaluation de la luminosité a permis aux scientifiques de supposer que cet objet est un trou noir pesant au moins 500 masses solaires.
Jusqu’à présent, les astronomes n’avaient observé que deux types de trous noirs : certains supermassifs et d’autres dotés de masses stellaires.
Un type est celui des trous noirs, dont les masses sont comparables à celles des étoiles (3 à 20 masses solaires). Ces trous apparaissent à la fin de la vie des étoiles massives, et les astronomes connaissent actuellement plusieurs dizaines d'objets de ce type. Mais on connaît des trous noirs beaucoup plus supermassifs (avec une masse d'environ 10 9 masses solaires ou plus) - leur nombre a déjà dépassé le millier. Cela s'explique facilement par le fait que les astronomes savent où chercher de tels trous : ils sont situés au cœur des galaxies.
Selon une théorie assez courante, les trous noirs supermassifs se forment à la suite de la fusion de trous noirs de plus petite masse. Cependant, aucun trou noir de masse intermédiaire n’a jamais été découvert, et les scientifiques travaillant dans ce sens n’ont jusqu’à présent rien à se vanter, à l’exception de quelques candidats sans distinction.
Au cours de la dernière année, les scientifiques ont fait de nouvelles observations et confirmé leurs hypothèses selon lesquelles HLX-1 est un trou noir de masse intermédiaire.
Au cours de la recherche, les scientifiques ont observé HLX-1 sur le télescope VLT de l'Observatoire européen austral (ESO) au Chili. Grâce à des observations optiques, ils ont pu déterminer la distance exacte à l’objet et confirmer qu’il « est bien situé dans cette galaxie et n’est ni une étoile ni une source de fond ».
"Après nos travaux précédents, nous voulions vraiment savoir dans quelle mesure le modèle proposé était fidèle à la réalité", a déclaré Klaas Wiersema, auteur principal de l'article. « Sur les images de grands télescopes, nous avons vu une petite source optique sur le site de notre objet à rayons X. Les observations du VLT ont confirmé que cette émission optique est associée à HLX-1. Nous avons déterminé la distance exacte à l'objet et confirmé qu'il y a un trou noir à cet endroit. Nous voulons maintenant découvrir pourquoi cette source brille si intensément dans les rayons X et comment elle est entrée dans la plus grande galaxie. »
On pensait auparavant que des sources de rayons X aussi brillantes que HLX-1 ne pouvaient pas être aussi brillantes car le trou noir doit absorber la majeure partie de la lumière qui passe à proximité.
"Il est très difficile d'expliquer la physique de cet objet sans la présence d'un trou noir d'une masse intermédiaire comprise entre 500 et 10 000 masses solaires", explique l'un des auteurs de l'article, Sean Farrell. "Ainsi, mais seulement pour le moment, la source de HLX-1 échappe au contrôle de la communauté astronomique internationale."
Les projets futurs des scientifiques incluent des observations avec le télescope spatial Hubble et une tentative de trouver d'autres sources similaires à HLX-1.
Trous noirs dans l'Univers
Un trou noir est un objet cosmique qui se forme lors d’une compression gravitationnelle illimitée (effondrement gravitationnel) de corps cosmiques massifs. L'existence de ces objets est prédite par la théorie de la relativité générale. Le terme « trou noir » lui-même a été introduit dans la science par le physicien américain John Wheeler en 1968 pour désigner une étoile effondrée.
Un trou noir est une région de l'espace qui résulte de l'effondrement gravitationnel complet de la matière, dans laquelle l'attraction gravitationnelle est si forte que ni la matière, ni la lumière, ni d'autres supports d'informations ne peuvent en sortir. Par conséquent, l’intérieur d’un trou noir n’est pas causalement lié au reste de l’univers ; Les processus physiques se produisant à l’intérieur d’un trou noir ne peuvent pas influencer les processus extérieurs. Un trou noir est entouré d'une surface ayant la propriété d'une membrane unidirectionnelle : la matière et les radiations tombent librement à travers elle dans le trou noir, mais rien ne peut en sortir. Cette surface est appelée « l’horizon des événements ». Comme il n’existe encore que des indications indirectes de l’existence de trous noirs à des milliers d’années-lumière de la Terre, notre présentation ultérieure se base principalement sur des résultats théoriques.
Les astronomes ont conclu que les trous noirs ne naissent pas énormes, mais se développent progressivement aux dépens du gaz et des étoiles des galaxies. Les données montrent que les trous noirs géants n’ont pas précédé la naissance des galaxies, mais ont évolué avec elles, absorbant un certain pourcentage de la masse des étoiles et des gaz dans la région centrale de la galaxie. Cela signifie que dans les galaxies plus petites, les trous noirs sont moins massifs, avec des masses légèrement supérieures à quelques millions de masses solaires. Les trous noirs au centre des galaxies géantes contiennent des milliards de masses solaires. Le fait est que la masse finale d'un trou noir se forme lors de la formation d'une galaxie. Dans certains cas, les trous noirs grossissent non seulement en consommant le gaz d’une galaxie individuelle, mais également en fusionnant des galaxies, provoquant ainsi la fusion de leurs trous noirs.
Formation de trous noirs
Les trous noirs se forment à la suite de l’effondrement d’étoiles à neutrons géantes d’une masse supérieure à 3 masses solaires. Lorsqu’ils sont comprimés, leur champ gravitationnel devient de plus en plus dense. Finalement, l’étoile rétrécit à tel point que la lumière ne peut plus vaincre sa gravité. Le rayon auquel une étoile doit se rétrécir pour devenir un trou noir est appelé rayon gravitationnel. Pour les étoiles massives, c'est plusieurs dizaines de kilomètres. Puisque les trous noirs ne brillent pas, la seule façon de les juger est d’observer l’effet de leur champ gravitationnel sur les autres corps. Il existe des preuves indirectes de l’existence de trous noirs dans plus de 10 étoiles binaires à rayons X proches. Ceci est étayé, d'une part, par l'absence de manifestations connues d'une surface solide caractéristique d'un pulsar à rayons X ou d'un sursaut à rayons X, et, d'autre part, par la grande masse du composant invisible du système binaire (plus de 3 masses solaires). L'un des candidats les plus probables pour les trous noirs est la source de rayons X la plus brillante de la constellation du Cygne - Cygnus X-1.
Selon les concepts modernes, il existe quatre scénarios pour la formation d'un trou noir :
1. Effondrement gravitationnel (compression catastrophique) d'une étoile assez massive (plus de 3,6 masses solaires) au stade final de son évolution.
2. Effondrement de la partie centrale de la galaxie ou gaz progalactique. Les idées actuelles placent un énorme trou noir au centre de nombreuses galaxies spirales et elliptiques, sinon de la totalité. Par exemple, au centre de notre galaxie 3.3.3. se trouve un trou noir Sagittaire A* d'une masse de 4,31x10 6 M, autour duquel tourne un trou noir plus petit.
4. Formation de trous noirs au moment du Big Bang suite aux fluctuations du champ gravitationnel et/ou de la matière. De tels trous noirs sont appelés primordiaux.
Evolution des trous noirs
Les scientifiques disposent de preuves solides de l'existence de deux classes différentes de trous noirs : les premiers sont des trous noirs avec des masses stellaires environ 10 fois supérieures à celles du Soleil, les seconds sont des trous noirs supermassifs, situés au centre des galaxies et dont les masses varient de plusieurs centaines d'années. de milliers à milliards de masses solaires. Mais comment se forment et existent les trous noirs de masse intermédiaire reste un mystère ? Nous parlons de ce qu’on appelle des trous noirs avec des masses intermédiaires comprises entre 100 et 10 000 masses solaires.
Les preuves de l'origine de ces objets restent controversées. Jusqu’à présent, aucun trou noir de ce type n’a été découvert dans une seule galaxie. Mais une équipe de chercheurs a découvert, grâce à l'étude des données radiologiques, deux trous noirs de masse moyenne dans la galaxie M82, située à environ 12 millions d'années-lumière de la Terre.
Sur la base des caractéristiques du rayonnement émis par les trous noirs de M82, les chercheurs ont conclu que la masse de l'un des trous noirs varie de 12 à 43 000 masses solaires et celle du second de 200 à 800 masses solaires. Le premier objet est situé à 290 années-lumière du centre de la galaxie M82. Le deuxième objet est situé à une distance de 600 années-lumière en projection du centre de la galaxie.
"Pour la première fois, deux trous noirs de masse moyenne ont été découverts dans la même galaxie", a déclaré l'un des chercheurs, Hua Feng de l'Université Tsinghua, en Chine. "Leur emplacement près du centre de la galaxie peut contenir des informations sur leur origine. des plus grands trous noirs de l'Univers, comme les trous noirs supermassifs, que l'on trouve au centre de la plupart des galaxies.
Un mécanisme possible pour la formation de trous noirs supermassifs est une réaction en chaîne de collisions entre étoiles et amas d’étoiles compacts, qui conduit à l’accumulation d’objets très massifs, qui se transforment ensuite en trous noirs de masse intermédiaire. Ensuite, les trous noirs intermédiaires sont attirés vers le centre de la galaxie et fusionnent avec le trou noir supermassif au centre de la galaxie.
"Nous ne pouvons pas dire avec certitude si le processus similaire de formation des trous noirs dans M82 soutient cette théorie, mais nous savons que ces deux trous noirs de taille moyenne sont situés à proximité d'amas d'étoiles", a déclaré Phil Caret, de l'Université d'État de l'Iowa. "De plus, M82 est la galaxie la plus proche de nous, où les conditions sont similaires à celles de l'Univers primitif, avec la présence d'un grand nombre d'étoiles."
Jusqu’à présent, les astronomes ne savaient pas avec certitude si deux trous noirs de masse moyenne pouvaient être présents dans la même galaxie. Peut-être que cette découverte fera la lumière sur les processus de formation et d’évolution des trous noirs supermassifs dans les galaxies.
Types de trous noirs
Trous noirs de masses stellaires. Les trous noirs de masse stellaire se forment comme étape finale de la vie d'une étoile ; une fois que le combustible thermonucléaire a complètement brûlé et que la réaction s'est arrêtée, l'étoile devrait théoriquement commencer à se refroidir, ce qui entraînera une diminution de la pression interne et compression de l'étoile sous l'influence de la gravité. La compression peut s’arrêter à un certain stade ou se transformer en un effondrement gravitationnel rapide. En fonction de la masse et du moment cinétique de l'étoile, les états finaux suivants sont possibles :
Étoile éteinte très dense composée principalement, selon sa masse, d'hélium, de carbone, d'oxygène, de néon, de magnésium, de silicium ou de fer (les principaux éléments sont répertoriés par ordre croissant de masse de l'étoile résiduelle). Ces restes sont appelés naines blanches et leur masse est limitée au-dessus par la limite de Chandrasekhar.
Une étoile à neutrons dont la masse est limitée par la limite Oppenheimer-Volkov.
Trou noir.
À mesure que la masse du reste stellaire augmente, la configuration d’équilibre descend le long de la séquence décrite. Le couple augmente la masse maximale à chaque étape, mais pas qualitativement, mais quantitativement (maximum 2-3 fois).
Les conditions (principalement de masse) dans lesquelles l'état final de l'évolution stellaire est un trou noir n'ont pas été suffisamment étudiées, car cela nécessite une connaissance du comportement et des états de la matière à des densités extrêmement élevées, inaccessibles à l'étude expérimentale. La modélisation des étoiles aux derniers stades de leur évolution présente des difficultés supplémentaires en raison de la complexité de la composition chimique émergente et de la forte diminution du temps caractéristique des processus. Il suffit de mentionner que certaines des plus grandes catastrophes cosmiques, les explosions de supernova, se produisent précisément à ces stades de l'évolution stellaire. Différents modèles donnent une estimation inférieure de la masse du trou noir résultant de l'effondrement gravitationnel, de 2,5 à 5,6 masses solaires. Le rayon du trou noir est très petit – plusieurs dizaines de kilomètres.
Par la suite, le trou noir peut croître en raison de l'absorption de matière - en règle générale, il s'agit du gaz d'une étoile voisine dans les systèmes d'étoiles binaires (une collision d'un trou noir avec tout autre objet astronomique est très improbable en raison de son petit diamètre ). Le processus par lequel un gaz tombe sur tout objet astrophysique compact, y compris un trou noir, est appelé accrétion. Dans ce cas, en raison de la rotation du gaz, un disque d'accrétion se forme, dans lequel la matière accélère jusqu'à des vitesses relativistes, s'échauffe et, par conséquent, émet fortement, y compris dans le domaine des rayons X, ce qui permet en principe, détecter de tels disques d'accrétion (et, par conséquent, des trous noirs) à l'aide de télescopes ultraviolets et à rayons X. Le principal problème est la petite taille et la difficulté d'enregistrer les différences entre les disques d'accrétion des étoiles à neutrons et des trous noirs, ce qui conduit à une incertitude dans l'identification des objets astronomiques avec des trous noirs. La principale différence est que le gaz tombant sur tous les objets rencontre tôt ou tard une surface solide, ce qui entraîne un rayonnement intense lors du freinage, mais un nuage de gaz tombant sur un trou noir, en raison de l'augmentation illimitée de la dilatation gravitationnelle du temps (redshift), il s'estompe simplement rapidement à mesure qu'il s'approche de l'horizon des événements, comme observé avec le télescope Hubble dans le cas de la source Cygnus X-1.
La collision de trous noirs avec d'autres étoiles, ainsi que la collision d'étoiles à neutrons qui provoquent la formation d'un trou noir, conduisent à un puissant rayonnement gravitationnel, qui devrait être détectable dans les années à venir à l'aide de télescopes gravitationnels. Actuellement, il existe des rapports faisant état d'observations de collisions dans le domaine des rayons X. Le 25 août 2011, un message est apparu selon lequel, pour la première fois dans l'histoire de la science, un groupe de spécialistes japonais et américains a pu enregistrer en mars 2011 le moment de la mort d'une étoile avalée par un trou noir.
Trous noirs supermassifs. Selon les idées modernes, des trous noirs envahis et très massifs forment le noyau de la plupart des galaxies. Il s'agit notamment du trou noir massif au cœur de notre galaxie - Sagittaire A.
Actuellement, la plupart des scientifiques considèrent que l'existence de trous noirs à l'échelle stellaire et galactique est prouvée de manière fiable par des observations astronomiques.
Les astronomes américains ont découvert que la masse des trous noirs supermassifs pourrait être considérablement sous-estimée. Les chercheurs ont découvert que pour que les étoiles se déplacent dans la galaxie M87 (située à 50 millions d'années-lumière de la Terre), comme on l'observe actuellement, la masse du trou noir central doit être d'au moins 6,4 milliards de masses solaires, soit deux fois l'estimation actuelle du noyau de M87, qui est de 3 milliards de masses solaires.
Pour un trou noir dans le noyau galactique, le rayon gravitationnel est de 3 10 15 cm = 200 UA. Soit cinq fois la distance entre le Soleil et Pluton. La densité critique est de 0,2 10 -3 g/cm³, soit plusieurs fois inférieure à la densité de l'air.
Trous noirs primordiaux ont actuellement le statut d’hypothèse. Si, aux premiers instants de la vie de l'Univers, il y avait suffisamment d'écarts par rapport à l'uniformité du champ gravitationnel et à la densité de matière, alors des trous noirs pourraient se former à partir d'eux par effondrement. De plus, leur masse n’est pas limitée par le bas, comme lors d’un effondrement stellaire – leur masse pourrait probablement être assez petite. La découverte des trous noirs primordiaux présente un intérêt particulier en raison de la possibilité d'étudier le phénomène d'évaporation des trous noirs.
Trous noirs quantiques. On suppose que des trous noirs microscopiques stables, appelés trous noirs quantiques, peuvent apparaître à la suite de réactions nucléaires. Pour une description mathématique de tels objets, une théorie quantique de la gravité est nécessaire. Cependant, d'après des considérations générales, il est très probable que le spectre de masse des trous noirs soit discret et qu'il existe un trou noir minimal : un trou noir de Planck. Sa masse est d'environ 10 −5 g, son rayon est de 10 −35 m. La longueur d'onde Compton d'un trou noir de Planck est de l'ordre de grandeur égale à son rayon gravitationnel.
Même si les trous noirs quantiques existent, leur durée de vie est extrêmement courte, ce qui rend leur détection directe très problématique.
Récemment, des expériences ont été proposées pour détecter la présence de trous noirs dans les réactions nucléaires. Cependant, pour la synthèse directe d'un trou noir dans un accélérateur, il faut une énergie de 10,26 eV, inaccessible aujourd'hui. Apparemment, lors de réactions à très hautes énergies, des trous noirs intermédiaires virtuels peuvent apparaître.
Des expériences sur des collisions proton-proton avec une énergie totale de 7 TeV au Grand collisionneur de hadrons ont montré que cette énergie n'est pas suffisante pour former des trous noirs microscopiques. Sur la base de ces données, il est conclu que les trous noirs microscopiques devraient être plus lourds que 3,5 à 4,5 TeV, selon la mise en œuvre spécifique.
