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Structure d'un trou noir et classification

Dossier - Trou noir, dossier introductif
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Résultants, pour la plupart, de l'explosion finale (supernova) d'une étoile très massive, les trous noirs sont parmi les objets astrophysiques les plus captivants. Ce dossier introductif se propose de partir à la découverte du concept de trou noir, et de donner un bref aperçu de leur physique.

  
DossiersTrou noir, dossier introductif
 

Un trou noir de Schwarzschild est, d'abord et avant tout, caractérisé par l'existence d'un Horizon : c'est la surface sphérique dont même la lumière ne peut sortir et en-deçà de laquelle même cette dernière est inexorablement entraînée vers la singularité centrale.

Vue d'artiste d'un trou noir. © ESO/L. Calçada - CC BY 4.0

En effet, même si l'existence de cette singularité (point où toutes les grandeurs physiques et géométriques locales divergent) traduit la nécessité d'avoir une théorie quantique de la gravitation pour décrire de manière complète et cohérente les trous noirs, le fait que l'Horizon sépare l'espace-temps en deux zones disjointes, aucune information ne pouvant nous parvenir de la deuxième, implique que tout ce que nous pouvons savoir d'un trou noir est « codé » dans la géométrie de l'Horizon.

Celui-ci a un rayon égal au rayon de Schwarzschild, dont, étonnamment, la valeur peut-être « justifiée » même dans le cadre de la théorie newtonienne. En effet, pour un astre de masse m donnée, la vitesse de libération, vitesse radiale minimale que doit posséder un objet décollant depuis la surface pour pouvoir s'échapper à l'infini, vaut :

Ainsi, comme Michell l'avait compris, si la vitesse d'évasion est supérieure à c (vitesse de la lumière), alors même la lumière ne peut s'échapper. D'où la « justification » newtonienne du rayon de Schwarzschild :

La description des trous noirs dans le cadre de la relativité générale est cependant bien plus complexe et inabordable ici. Toutefois, quelques résultats importants peuvent être cités. Ainsi, après Schwarzchild, d'autres physiciens ont cherché des solutions des équations d'Einstein et en ont découvert d'autres comportant des horizons et pouvant correspondre à des étoiles effondrées. Néanmoins, des théorèmes généraux ont montré qu'un trou noir est au plus caractérisé par trois paramètres : sa masse, sa charge électrique et son moment angulaire.

Les noms des trous noirs

Les différents types de trous noirs sont donc nommés en fonction des personnes ayant découvert les différentes solutions qui leur correspondent, lesquelles sont uniques. On a :

  • les trous noirs de Schwarzschild, sphériques, sans rotation et non chargés ;
  • les trous noirs de Kerr, non sphériques, en rotation et non chargés ;
  • les trous noirs de Reissner-Nordström, sphériques, sans rotation, mais chargés ;
  • les trous noirs de Kerr-Newman, non sphériques, en rotation et chargés.

Il a cependant également été démontré que tout trou noir astrophysique chargé perdrait rapidement sa charge électrique, et les trous noirs astrophysiques sont donc très vraisemblablement des trous noirs de Kerr.

Classification des trous noirs

Par ailleurs, des études des propriétés quantiques des trous noirs, mais également des phénomènes astrophysiques dans lesquels ils peuvent naître, ont amené à classer les trous noirs en fonction de leur taille. On distingue :

  • les trous noirs primordiaux, objets théoriques de la taille d'une particule, supposés formés juste à l'époque où l'univers était encore très dense et chaud. Leur existence a été proposée par Stephen Hawking, lequel a également démontré l'existence d'un rayonnement d'origine quantique issu des trous noirs ;
  • les trous noirs stellaires, d'une dizaine de masses solaires, dont la formation a déjà été décrite ;
  • les trous noirs supermassifs, de plusieurs centaines de millions de masses solaires, dont on suppose l'existence dans le centre de nombre de galaxies. Selon les plus récentes études, ces trous noirs seraient nés avant même les galaxies dont ils occupent le noyau.
Par ailleurs, certains trous noirs astrophysiques sont dit actifs car ils émettent de grandes quantités de rayonnement électromagnétique. Ce phénomène ne viole pas le principe selon lequel rien ne peut sortir de l'horizon, et résulte de la présence d'un disque formé de gaz et poussière en grande quantité autour du trou noir. Ce dernier absorbe peu à peu le disque d'accrétion et c'est le rayonnement issu des particules accélérées au cours de leur chute qui nous parvient. Ainsi, de manière plus générale, les trous noirs étant invisibles, c'est l'interaction entre ceux-ci et leur environnement qui témoigne de leur existence.