TROUS NOIRS

Détection des trous noirs géants

Le trou noir massif Sagittarius A* - crédits : S. Saka, A. Ghez/ W. M .Keck Observatory/ UCLA Galactic center group — Le trou noir massif Sagittarius A*
S. Saka, A. Ghez/ W. M .Keck Observatory/ UCLA Galactic center group

En revanche, des trous noirs massifs et supermassifs sont tapis au cœur de la plupart des galaxies. Le cas le plus probant concerne SgrA* situé au centre de notre Galaxie. Ses effets gravitationnels sont très clairement observés sur le mouvement des étoiles proches, dont les vitesses orbitales sont d'autant plus grandes que leur orbite est resserrée (à l'instar de différentes billes en rotation sur les pentes d'un entonnoir profond) – jusqu'à 7 650 kilomètres par seconde pour les plus proches du trou noir. Le mouvement de ces étoiles, analysé en continu depuis le milieu des années 1980, permet de déduire la masse et la taille de SgrA* : 4,1 millions de M_S pour un diamètre de 25 millions de kilomètres. L’Allemand Reinhard Genzel et l’Américaine Andrea Ghez ont obtenu le prix Nobel de physique 2020 pour avoir effectué ces mesures.

La galaxie spirale d’Andromède (M31), la plus proche de nous, contiendrait un trou noir central de 70 millions de M_S. Des galaxies encore plus lointaines abritent des trous noirs supermassifs de plusieurs milliards de M_S. C’est notamment le cas de la galaxie elliptique géante M87, dont le trou noir central atteint 6,4 milliards de M_S. La galaxie TON 618 hébergerait un trou noir hypermassif de 66 milliards de M_S.

Pour la vaste majorité de ces galaxies aux formes variées (spirales, elliptiques ou lenticulaires), la luminosité provient de l’ensemble des étoiles qui les constituent, et la masse de leur trou noir central est déduite du mouvement du gaz et des étoiles proches de leur centre. Toutefois, pour environ le centième d’entre elles, la luminosité est essentiellement issue d’un noyau central très compact. Ce sont les galaxies dites « à noyau actif ». Notre Univers observable doit en contenir quelques milliards.

Les galaxies à noyau actif sont les sources de rayonnement électromagnétique les plus puissantes de l’Univers. On distingue généralement plusieurs classes en fonction des caractéristiques du rayonnement émis : les radiogalaxies (qui émettent une large gamme d'ondes radio), les blazars (qui émettent sous toutes les longueurs d’onde et varient rapidement au cours du temps), et les quasars (les plus lumineuses de toutes). Le quasar 3C273, découvert en 1963, a par exemple une luminosité 1 000 fois supérieure à celle de notre Voie lactée tout entière, émise pourtant depuis une région centrale aussi petite que notre Système solaire.

De fait, ces différentes classes correspondraient à un même genre de galaxies à noyau actif, mais observées sous des angles différents, les puissants jets de gaz émis pouvant nous parvenir de biais (quasars), de face (blazars) ou de profil (radiogalaxies). Dans tous les cas, les débauches d’énergie libérées résulteraient de l’accrétion de gaz autour d’un trou noir supermassif situé au centre de la galaxie. L'idée de base est donc la même que pour les sources X binaires, mais l'échelle est tout autre : le trou noir central aurait des masses allant de 10 millions à 10 milliards de M_S, et pour produire une énergie équivalente à celle qui est observée dans les quasars, il devrait absorber en gaz l'équivalent de plusieurs étoiles par an.

Ces énormes quantités de gaz requises peuvent provenir de la rupture totale d'étoiles. Un trou noir géant doit en effet être capable d'attirer des étoiles orbitant à proximité et de les faire tomber progressivement dans son puits gravitationnel. Si le trou noir fait entre 5 et 100 millions de M_S, une étoile qui pénètre à l'intérieur d'un certain rayon critique est soumise à un puissant effet de marée, dû au champ différentiel de gravitation du trou noir géant. L'étoile se disloque littéralement en émettant un rayonnement caractéristique, cette bouffée parvenant à échapper au trou noir car elle est émise avant que l'étoile ait franchi[...]

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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

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

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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