Introduction
Les trous noirs sont parmi les objets les plus mystérieux et extrêmes de l'univers. Ils représentent une prédiction fondamentale de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, où la masse est concentrée dans un volume si petit que la vitesse de libération à sa surface dépasse celle de la lumière. Bien que longtemps considérés comme des curiosités théoriques, leur existence est aujourd'hui solidement établie par des preuves observationnelles directes et indirectes.
Description
Un trou noir est défini par sa frontière invisible appelée 'horizon des événements'. Une fois cette limite franchie, le retour est impossible. Au centre se trouve la 'singularité', un point de densité et de courbure d'espace-temps infinie où les lois de la physique connues s'effondrent. Les trous noirs ne 'sucent' pas la matière comme un aspirateur ; les objets orbitant autour d'eux se comportent comme s'ils tournaient autour d'une masse extrême, jusqu'à ce qu'ils franchissent l'horizon. Ils sont classés principalement en trois catégories : les trous noirs stellaires (quelques masses solaires), les trous noirs supermassifs (des millions à des milliards de masses solaires, au centre des galaxies) et les trous noirs intermédiaires.
Histoire
Le concept remonte à 1783 avec John Michell, qui imagina des 'étoiles sombres' dont la gravité retiendrait la lumière. En 1915, la relativité générale d'Einstein fournit le cadre théorique. Peu après, Karl Schwarzschild trouva une solution aux équations d'Einstein décrivant un trou noir statique (trou noir de Schwarzschild). Des physiciens comme Subrahmanyan Chandrasekhar, Robert Oppenheimer et John Wheeler ont ensuite développé la théorie de leur formation. Le terme 'trou noir' fut popularisé par Wheeler en 1967. La première détection indirecte fut le rayonnement X de Cygnus X-1 en 1971, un candidat trou noir stellaire. En 2019, la collaboration Event Horizon Telescope a publié la première image directe de l'ombre d'un trou noir, celui au centre de la galaxie M87.
Caracteristiques
Les trous noirs sont décrits par seulement trois paramètres : la masse, la charge électrique et le moment angulaire (spin). Le théorème de 'calvitie' stipule qu'ils ne possèdent pas d'autres caractéristiques observables. Les trous noirs en rotation (trous noirs de Kerr) entraînent l'espace-temps autour d'eux, un effet appelé 'entraînement de cadre'. Leur gravité intense crée des effets spectaculaires : les disques d'accrétion de matière surchauffée émettent un rayonnement intense avant de tomber, et des jets relativistes de plasma peuvent être éjectés perpendiculairement au disque. Stephen Hawking a théorisé qu'ils émettent un faible rayonnement thermique (rayonnement de Hawking) et peuvent s'évaporer sur des échelles de temps cosmologiques.
Importance
Les trous noirs sont des laboratoires uniques pour tester les lois fondamentales de la physique, notamment la relativité générale et la mécanique quantique. Leur étude est cruciale pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies, car les trous noirs supermassifs influencent la dynamique de leur galaxie hôte. Ils sont aussi à l'origine de phénomènes énergétiques comme les quasars et les sursauts gamma. La recherche sur les trous noirs pousse les limites de la technologie, comme l'interférométrie à très longue base utilisée par l'Event Horizon Telescope. Enfin, ils jouent un rôle central dans la cosmologie et la quête d'une théorie unifiée de la gravité quantique.
