La NASA a publié une nouvelle animation pour vous donner une idée réelle de l’espace dominé par un trou noir supermassif.

Ce sont les mastodontes de l’univers, les colosses qui se trouvent au centre des galaxies, les cœurs gravitationnels autour desquels tournent les étoiles dans une danse orbitale qui se mesure en éons. Leur masse commence à environ 100 000 fois celle du Soleil, au bas de l’échelle, et peut atteindre des dizaines de milliards de masses solaires au maximum.

Ces chiffres abstraits sont bien beaux, mais il est difficile d’imaginer à quel point ces objets sont énormes. Et c’est là l’un des grands mystères de l’Univers : bien que nous ayons quelques idées, nous ne savons pas vraiment comment ils sont devenus ainsi.

Selon Jeremy Schnittman, astrophysicien théorique au Goddard Space Flight Center de la NASA :

Des mesures directes, souvent réalisées avec l’aide du télescope spatial Hubble, confirment la présence de plus de 100 trous noirs supermassifs. Comment deviennent-ils si gros ? Lorsque des galaxies entrent en collision, leurs trous noirs centraux finissent par fusionner également.

En fait, les trous noirs eux-mêmes ne sont peut-être pas très gros. Ils sont les objets les plus denses que nous connaissions dans l’Univers. Ils sont si compacts que nous ne pouvons les décrire mathématiquement que comme une singularité, un point unidimensionnel de densité infinie. Leur densité est si extrême que l’espace-temps se déforme gravitationnellement en une sphère fermée autour d’eux. À l’intérieur de cette sphère, même la lumière n’a pas une vitesse suffisante pour s’échapper.

C’est à cela que l’on se réfère lorsque l’on parle des dimensions d’un trou noir, sa limite étant connue sous le nom d’horizon des événements. Plus le trou noir est massif, plus le rayon de la sphère définie par l’horizon des événements, appelé rayon de Schwarzschild, est grand. Si le Soleil était un trou noir, par exemple, son rayon de Schwartzschild ne serait que de 2,95 kilomètres.

Ci-dessous les différentes “structures” d’un trou noir supermassif (Jet relativiste, horizon des évènements, disque d’accrétion, singularité). (NASA)

Pour autant que nous le sachions, les plus petits trous noirs commencent à environ cinq fois la masse du Soleil, des objets qui se sont formés à partir du noyau effondré d’une étoile massive en fin de vie. Il s’agit de trous noirs de masse stellaire. Ces derniers ont une limite supérieure d’environ 65 fois la masse du Soleil, car les étoiles précurseurs extrêmement lourdes qui produiraient ces objets plus grands finissent leur vie dans une Supernova par production de paires qui oblitère complètement le noyau, ne laissant rien derrière elle pour s’effondrer dans le trou noir.

Cependant, des trous noirs de masse stellaire plus massifs que 65 masses solaires ont été observés. Ils peuvent se former lors de la collision et de la fusion de trous noirs, donnant naissance à un objet de masse cumulée. Mais pour passer de ces trous noirs aux trous noirs supermassifs et ultramassifs, il faut un grand espace vide. Littéralement. Il y a une curieuse pénurie de trous noirs détectés dans la gamme de masse comprise entre les trous noirs de masse stellaire et les trous noirs supermassifs.

Mais les trous noirs supermassifs présentent également une grande diversité. La nouvelle animation de la NASA donne un aperçu de cette gamme, en commençant par un trou noir dans une galaxie naine appelée J1601+3113, qui abrite un trou noir d’environ 100 000 masses solaires. Cela lui confère un rayon de Schwarzschild d’un peu moins de la moitié de la taille du Soleil. L’ombre du trou noir s’étend jusqu’à l’espace autour de l’horizon des événements, produisant une région plus sombre d’environ deux fois sa taille, ce qui signifie que, dans la vidéo, cette ombre semble avoir à peu près la même taille que le Soleil.

Nous voyons également le trou noir supermassif au centre de notre propre galaxie, Sagittarius A*, d’une taille d’environ 4,3 millions de masses solaires. Il y a aussi M87*, le premier trou noir jamais imagé, qui a une masse beaucoup plus élevée de 5,37 milliards de soleils. Deux trous noirs se trouvent également au centre de la même galaxie, NGC 7727. Il fut un temps où NGC 7727 était composée de deux galaxies. Maintenant qu’elles se sont réunies, les deux trous noirs situés au cœur de la galaxie, qui pèsent respectivement 154 millions et 6,3 millions de masses solaires – se sont enfoncés au centre de la nouvelle galaxie, où un jour ils fusionneront à leur tour.

La vidéo souffre apparemment d’un petit soucis d’intégration, vous pouvez utiliser ce lien : https://youtu.be/8GnSFAZD8YY

Ces trous noirs constituent un indice important qui, selon les astronomes, nous renseigne sur l’un des modes de croissance des trous noirs supermassifs, et leurs fusions devraient produire des ondes gravitationnelles. Cependant, la fréquence de ces fusions est trop faible pour que nos instruments actuels puissent les détecter. L’un des plus grands trous noirs connus dans l’Univers est un monstre appelé TON 618. En 2004, les scientifiques ont mesuré sa masse à 66 milliards de masses solaires. La limite supérieure théorique de la masse des trous noirs est d’environ 50 milliards de masses solaires, mais l’Univers a l’art de défier les prédictions théoriques. À cette masse, le trou noir aurait un rayon de Schwarzschild de plus de 1 300 unités astronomiques. À titre de comparaison, l’orbite de Pluton se situe à environ 40 unités astronomiques du Soleil.

Ce trou noir engloutirait le système solaire des centaines de fois. Heureusement, il est très éloigné, sa lumière étant estimée à 10,8 milliards d’années.

Sur le site du Scientific Visualisation Studio de la NASA : NASA Animation Sizes Up the Universe’s Biggest Black Holes et sur le site de la NASA.

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