Un trou noir est un milieu matériel tellement condensé que rien, pas même la lumière, ne peut s’en échapper.

Laplace, Einstein et Schwarzschild

C’est à la même date qu'un astronome, mathématicien et physicien allemand, Karl Schwarzschild (1873-1916), développe le 1er modèle du trou noir en s’appuyant sur les travaux de Laplace et d’Einstein.      C'est pendant l'année de sa mort que Schwarzschild découvrit une solution à la théorie de la relativité d’Einstein qui décrivait un trou noir sphérique. Il détermina une grandeur, dite rayon de Schwarzschild.

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Différents Types de Trous Noirs

Les trous noirs stellaires, ou Collapsars

     Ce sont les trous noirs ordinaires, ils ont une masse du même ordre que celle du Soleil. Ils correspondent à l'effondrement de la région centrale d'étoiles massives, après leur explosion en supernova. Cela correspond à la famille la mieux connue. Et plusieurs de ces objets ont été répertoriés dans notre Galaxie. Ils ont typiquement des masses comprises entre 4 et 15 masses solaires.

Les trous noirs supermassifs

     Ces trous noirs géants siègent au centre des galaxies, y compris de la nôtre. Leur masse équivaut à plusieurs millions de masses solaires. Leur formation doit être mise en rapport avec celle de la Galaxie qui les abrite. Mais les mécanismes n'en sont pas encore bien compris..

      Comme dans le centre des galaxies, la matière est particulièrement concentrée, il est possible d'imaginer que de tels trous noirs aient pu gober les étoiles et les gaz environnants au point de grossir démesurément, pour atteindre des masses aussi importantes.

Les trous noirs intermédiaires

     Ces trous noirs de masse intermédiaire pourraient constituer le chaînon manquant entre les trous noirs stellaires et les trous noirs géants. Selon certaines conceptions actuelles, ils impliquent les fusions successives de trous noirs de petites masses, qui forment ainsi progressivement un objet beaucoup plus gros.

Les trous noirs primordiaux

     Les petits trous noirs sont des objets plus spéculatifs : il s'agit de reliques jugées nécessaires du Big Bang, mais dont on ignore s'il en est qui ont survécu jusqu'à nos jours.

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La Formation d'un Trou Noir Stellaire

Lorsqu'une étoile suffisamment massive a brûlé tout son combustible nucléaire, elle explose en supernova (1).       La distortion de l'Espace-Temps augmente au fur et à mesure que l'étoile se contracte (2).       Lorsque les dimensions de la masse gazeuse deviennent inférieures à une valeur appelée "rayon de Schwarzschild", c'est alors la gravité qui l'emporte sur toutes les autres forces et ce corps se condense en un point de densité infinie appelé "singularité". Le Temps s'arrêterait dans un trou noir, le Continuum Espace-Temps perdant une dimension.

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La Structure du Trou Noir

Le trou noir est la région de l’espace qui entoure une singularité et dont le rayon est égal à celui de Schwarzschild.       La limite d’un trou noir est appelée « horizon des événement », car il n’existe aucun moyen pour que l’information concernant des événement se produisant dans le trou noir ne puisse être communiqué au reste de l’Univers. Bien qu'immatérielle, cette surface est ainsi parfois qualifiée de "membrane unidirectionnelle".

Le rayon de Schwarzschild (Rs en km) peut être calculé pour une masse m avec la formule simple :

     Rs = 2 G.m/c²     (G est la constante de Gravitation,
                                c la vitesse de la lumière)

     Pour seule comparaison, ce rayon est de 3 km pour le Soleil, de 3 mm pour la Terre. Un trou noir formé par l’effondrement d’une étoile de 10 masses solaires aurait un rayon de quelques 30 km.

      Puisque les étoiles tournent sur elles-mêmes, il est raisonnable de penser que les trous noirs seront aussi en rotation très rapide. A l’extérieur de l’horizon des événements d’un trou noir en rotation, il existe un région, « l’ergosphère », où tous les corps sont attirés vers le trou noir, comme si l’espace lui-même était en rotation au voisinage de celui-ci. En principe, des particules peuvent pénétrer dans l’ergosphère et, si leur vitesse est suffisante, s’en échapper avec une vitesse supérieure à leur énergie incidente.

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Détecter un Trou Noir

     Ces derniers étant invisibles, on peut les détecter indirectement par l'attraction gravitationnelle et les effets électriques qu'ils exercent sur les astres environnants. En effet, la matière qui « tombe » vers l’horizon des événements d’un trou noir est accélérée jusqu’à atteindre une vitesse proche de celle de la lumière, et émet de grandes quantités d’énergie avant de disparaître derrière cet horizon.
 

Si un trou noir est membre d’un système binaire serré (un couple étoile / trou noir), la matière arrachée au compagnon tombe en formant un disque d’accrétion. La matière tombe vers l’horizon selon une trajectoire spirale, les hautes températures ainsi crées ont pour conséquence l’émission de rayons X par la partie centrale du disque.

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Le Rétro-Big Bang

     Dès la formation d'un Trou Noir, l'accroissement de la courbure de l'Espace-Temps à l'intérieur de celui-ci ne peut plus aller qu'en s'accélérant. Elle devient donc inéluctablement infinie.. L'intérieur d'un Trou Noir renferme donc en théorie une singularité correspondant en particulier à des densités de Matière et d'Energie infinies.

     Celle-ci rappelle la situation dans laquelle devait en principe se trouver l'Univers dans son ensemble au moment zéro (t=0) du Big Bang et qui pose d'ailleurs un Trou Noir comme une sorte de Big Bang à l'envers et localisé. Ici, Matière, Espace et Temps n'émergent plus au voisinage de la singularité, ils s'y engloutissent.

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Trou de Ver

     Un Trou Noir est une région de l'Univers où la courbure de l'Espace-Temps est extrême, il doit donc posséder des propriétés dimentionnelles particulières. Mais qu'arrive t-il à la Matière et l'Energie absorbée ? Selon la physique quantique, le Trou Noir doit stocker, d'une manière ou d'une autre, de l'information sur ce qu'il avale. D'autres ont imaginés qu'il s'y cache l'entrée d'un passage secrêt vers un autre endroit de l'Espace, appelé "Trou de Ver"..

      Un Trou de Ver est un tunnel hypothétique reliant deux lieux plus ou moins éloignés l'un de l'autre dans l'Univers, et à travers lequel la matière peut voyager plus rapidement que la lumière. L'entrée d'un Trou de Ver consisterait en un Trou Noir. Certains physiciens se sont demandé s'il n'existerait pas, à l'opposé des Trous Noirs, des Trous Blancs qui seraient capables de faire jaillir de la matière. Ces trous blancs seraient comme des robinets de Matière et d'Energie ouverts en continu sur le ciel. Ils sont aussi considérés comme les sorties idéales de Trous de Ver.

Jusqu'ici, ni trou blanc ni trou de ver
n'ont encore été détectés dans le cosmos…