TROUS NOIRS

Différents types de trous noirs et processus de formation

En théorie, il peut exister des trous noirs de toutes tailles et de toutes masses, allant de microtrous noirs aussi petits qu’un proton (de l’ordre de 10^-15 m), mais ayant la masse d’une montagne (un milliard de tonnes), jusqu’à des trous noirs supermassifs aussi grands que le système solaire (quelques dizaines de milliards de kilomètres) et rassemblant l’équivalent de plusieurs milliards de Soleils, en passant par les trous noirs « ordinaires » issus de l’évolution d’étoiles, dont les tailles sont de quelques dizaines de kilomètres pour des masses comprises entre 3 et 80 M_S.

Pour que ces types très différents de trous noirs puissent réellement exister dans l’Univers, il faut cependant que des mécanismes astrophysiques plausibles expliquent leur formation.

Pour les trous noirs ordinaires, la théorie générale de l’évolution stellaire, élaborée tout au long du xx^e siècle, apporte une réponse convaincante. Par suite de l'effondrement gravitationnel du cœur des étoiles lorsque tout leur combustible thermonucléaire (hydrogène, hélium...) est épuisé, l'évolution stellaire aboutit très généralement à l'expulsion plus ou moins violente de leur atmosphère gazeuse (dilution en nébuleuse planétaire ou explosion de supernova) et à la formation d'astres résiduels très condensés. Les naines blanches et les étoiles à neutrons appartiennent à cette variété étrange de corps compacts dans lesquels la matière qui les constitue est devenue suffisamment « rigide » pour stopper l’effondrement gravitationnel avant qu’un trou noir ait pu se former. À terme, plus de 99 % de toutes les étoiles doivent former des naines blanches (résidus compacts des étoiles de masse inférieure à 10 M_S) ou des étoiles à neutrons (résidus d’étoiles plus massives). Cependant, deux résultats fondamentaux de l’astrophysique stipulent qu’une naine blanche ne peut pas dépasser une certaine masse critique, égale à 1,4 M_S (limite dite de Chandrasekhar) et qu’une étoile à neutrons ne peut supporter son propre poids au-dessus d’une autre limite, comprise entre 2 et 3 M_S (limite dite de Landau-Oppenheimer-Volkoff).

Or, environ une étoile sur dix mille a une masse initiale supérieure à 40 M_S. Les modèles d'évolution indiquent que, au bout de quelques millions d'années seulement, ces étoiles développent un cœur de matière dense dépassant 3 M_S. Dès lors, la compression gravitationnelle ne peut plus être compensée par les forces de répulsion des électrons (cas des naines blanches) ou des neutrons dégénérés (cas des étoiles à neutrons), et l'effondrement continue à écraser le cœur sur lui-même sans plus rencontrer de résistance : un trou noir de type « stellaire » se forme alors, de masse forcément supérieure à 3 M_S. L’implosion du cœur s’accompagne d’une « hypernova », c’est-à-dire d’une violente éjection des couches gazeuses de l’étoile focalisées dans deux jets de plasma ultra-énergétiques.

La formation d'un trou noir stellaire en deux étapes est également possible. Il existe en effet des couples serrés d'étoiles à neutrons, dont la distance qui les sépare décroît au cours du temps au point de provoquer à terme leur collision à des vitesses de l'ordre de 100 000 kilomètres par seconde. La coalescence de deux étoiles à neutrons forme un objet dépassant la masse critique (2,5 à 3 M_S), donc voué à s’effondrer aussitôt en trou noir stellaire. Sa formation s’accompagne, comme pour une hypernova, d’une puissante éjection de plasma.

Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma - crédits : J.-P. Luminet — Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma
J.-P. Luminet

Les télescopes observent justement de brusques explosions de rayons gamma réparties dans l’ensemble de l’Univers observable. De tels « sursauts gamma », restés longtemps mystérieux, s’interprètent désormais soit comme des explosions d’étoiles massives sous[...]

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Écrit par

Jean-Pierre LUMINET : directeur de recherche émérite au CNRS, laboratoire d'astrophysique, Marseille

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Puits gravitationnel créé par un trou noir - crédits : J.-P. Luminet — Puits gravitationnel créé par un trou noir

J.-P. Luminet

Galaxie NGC 1277 - crédits : NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA) — Galaxie NGC 1277

NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA)

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