vignette|Images du trou noir supermassif M87* et de son disque d'accrétion par l’.
vignette|En haut : vue d'artiste d’un trou noir supermassif absorbant la matière environnante. En bas : images supposées d'un trou noir dévorant une étoile dans la galaxie . Photo en avec le télescope Chandra à gauche ; photo optique prise par le VLT de l'ESO à droite.
Un trou noir supermassif (TNSM)En anglais (SMBH). est un trou noir dont la masse est d'un million de masses solaires ou plus (4 millions pour la voie lactée). Il constitue l’un des quatre types de trous noirs avec les trous noirs primordiaux (étant hypothétiques) , les trous noirs stellaires, les trous noirs intermédiaires. Étant les plus massifs, leur masse peut atteindre jusqu'à de masses solaires (ainsi celui de la galaxie ). Les trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies massives et c'est un quasi consensus dans la communauté scientifique que chaque grosse galaxie abrite un tel objet. C'est le cas au centre de notre galaxie, la Voie lactée, qui abrite un tel trou noir supermassif, à savoir la source .
Trous noirs supermassifs au centre des galaxies Aujourd’hui, de nombreuses observations montrent qu’à peu près toutes les grandes galaxies possèdent un trou noir supermassif en leur centre.. C’est, par exemple, le cas de notre propre galaxie, la Voie lactée. L'indice le plus significatif de la présence d’un tel trou noir dans notre galaxie est le mouvement orbital des étoiles les plus proches du centre galactique, dans la région appelée . Le suivi des trajectoires a permis de mesurer directement la masse du trou noir central : de masses solaires... En 2002, des astronomes suivent l’étoile S2 dans et montrent qu’elle s’approche jusqu’à du trou noir central. et en particulier montrant la trajectoire de l’étoile S2...
Observations En , l'instrument d'interférométrie GRAVITY, installé au Très Grand Télescope et développé par l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble, le Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique de Paris et le centre français en aérospatial, observe avec une précision inégalée, dans la banlieue de , le trou noir supermassif distant de qui occupe le centre de la Voie lactée. Ces observations représentent une réussite technique de la communauté scientifique d'autant plus mémorable que l'étoile S2, ayant une orbite elliptique autour de ce trou noir supermassif, est passée en 2018 au plus près de ce dernier« GRAVITY observe avec succès les abords du trou noir de la Voie Lactée », CNRS, ..
Le , l’ publie les premières images d'un trou noir, M87*, trou noir supermassif situé au centre de M87...
Entre mars et , en utilisant encore ce très grand télescope, Reinhard Genzel et son équipe observent des étoiles proches de Sagittaire A*. Ils constatent que l'étoile S29 s'accélère jusqu'à une vitesse de (plus rapide que celle de S2) et découvrent ainsi une nouvelle étoile S300. Ils en concluent qu'au centre de la Voie lactée, de la masse appartient au trou noir supermassif de Sagittaire A*Observatoire européen austral, Watch stars move around the Milky Way's supermassive black hole in deepest images yet, le 14 décembre 2021 .
L'image du trou noir central de la Voie lactée Sagittarius A* est présentée en à l'issue d'un long travail de traitement de données.
Le télescope spatial de la mission européenne Gaïa permet de cartographier, en 2024, de quasars, soit la partie visible des trous noirs supermassifs, dont le plus éloigné n'est daté que de d'années après le Big Bang.
Propriétés Par comparaison avec un trou noir stellaire, la densité moyenne d’un trou noir supermassif peut en fait être très faible (parfois plus faible que celle de l’eau). Cela s’explique par le fait que le rayon de Schwarzschild du trou noir croît proportionnellement à la masse, ce qui induit que la densité moyenne à l'intérieur de son rayon de Schwarzschild décroît selon le carré de sa masse. Plus le trou noir est grand, moins sa densité moyenne est grande, même si sa masse croît sans limite. Ainsi, la masse volumique d'un trou noir de solaires est comparable à celle de l'eau.. Pour se représenter un tel trou noir, on peut imaginer une boule d'eau de de kilomètres de rayon, s'étendant donc du Soleil jusqu'à la ceinture d'astéroïdes. Une telle boule, si elle existait, s'effondrerait sous l'effet de sa propre gravité pour former un trou noir d'un rayon de Schwarzschild égal à son rayon initial. Un trou noir de aurait la masse volumique de l'air et un rayon de de kilomètres. Le trou noir M87* a une masse de l'ordre de solaires et un rayon de de kilomètres ; son diamètre est donc de de kilomètres, ou ; comme il est situé à d'années-lumière de la Terre, son diamètre apparent serait de (microsecondes d'arc). Son ombre, enregistrée par la collaboration , a un diamètre de l'ordre de .
Autre fait notable, les forces de marées sont négligeables au voisinage de l’horizon des évènements d’un trou noir supermassif, car la singularité gravitationnelle centrale en est très éloignée. Ce qui fait qu’un explorateur s’approchant d’un trou noir supermassif ne ressentirait rien de particulier lors du franchissement de son horizon.
De plus, une étude menée par M.Brüggen et R.Timmerman suggère que les trous noirs supermassif influeraient sur l’aspect des galaxies. En effet, ils limiteraient la formation d’étoiles en aspirant les matériaux nécessaires à leur formation.
Formation La formation des trous noirs supermassifs est encore fortement débattue, mais elle se fait certainement sur de bien plus grandes échelles de temps que le délai de formation d’un trou noir stellaire. Ces derniers apparaissent après l’explosion d’une supernova produite par une étoile massive, comme une étoile Wolf-Rayet, ou d'une hypernova.
L’hypothèse la plus simple de la formation des trous noirs supermassifs est de commencer par un trou noir stellaire, accrétant ensuite de la matière pendant des milliards d’années. Cette hypothèse a cependant de nombreux défauts, parmi lesquels la nécessité d’une très grande densité d’étoiles dans son voisinage proche pour nourrir continuellement le trou noir.
Surtout des observations nouvelles ont montré l’existence de trous noirs supermassifs aux très grands décalages vers le rouge, c’est-à-dire au début de l’évolution de l’Univers. Ces trous noirs n’auraient ainsi pas eu le temps de se former par simple accrétion d’étoiles, même si elles auraient alors été très massives. Il reste donc à en déterminer le processus, mais il semble possible que la formation de tels trous noirs ait été très rapide, dès les débuts de l’Univers... Une hypothèse en ce sens est qu'il est possible que ces trous noirs supermassifs se soient formés au sein de quasi-étoiles au début de l'univers.
Selon des recherches récentes, les trous noirs supermassif seraient nés dans le chaos cosmique, plus précisément dans les amas globulaire, des fusions d’étoiles dans ceux-ci formeraient une accumulation de masse et de densité en un même astre qui ferait un trou noir supermassif ou intermédiaire
Exemples vignette|Visualisation du disque d'accrétion de Sagittarius A* réalisée par lEvent Horizon Telescope. vignette|Image du trou noir et du jet de M87, obtenue en 2023 par une collaboration internationale. Situé à de la Terre, le trou noir du centre de la Voie lactée a une masse de de fois celle du SoleilAlain Riazuelo et Sylvie Rouat, « Voyage au cœur d'un trou noir », Sciences et Avenir, . et son diamètre est d'une vingtaine de millions de kilomètres.
Au cœur des galaxies de l'Univers, les trous noirs dits supermassifs sont compris dans la fourchette d'un million à de fois la masse du Soleil. Ils se trouvent par exemple dans : 4C +37.11 dans la constellation de Persée ; Abell 400 dans la constellation de la Baleine ; APM 08279+5255 dans la constellation du Lynx ; HE 0450-2958 dans la constellation du Burin ; MRC 1138-262 dans la constellation de l'Hydre ; OJ 287 dans la constellation du Cancer ; NGC 4261 dans la constellation de la Vierge ; Porphyrion dans la constellation du Dragon ; Q0906+6930 dans la constellation de la Grande Ourse ; Sagittarius A*, au cœur de la Voie lactée, dans la constellation du Sagittaire ; CGCG 049-033, située à d'années-lumière de la Terre, a un trou noir estimé à un milliard de masses solaires et a engendré le jet record de particules long de près de d'années-lumière ; le centre de la galaxie M87, le trou noir supermassif M87* émettant un jet découvert en 1997 et ayant une masse de de masses solaires Daniel Bates, « », , . située dans un rayon de seulement dix années-lumièreFrançoise Combes, « Et si notre monde était né d'un trou noir », Sciences et Avenir, , . ; J1148+5251, contenant un trou noir supermassif de plusieurs milliards de fois la masse du SoleilLaurent Sacco, « Les trous noirs géants se seraient formés avant leurs galaxies hôtes », Futura-Sciences, ..
Le satellite Chandra a permis d’observer, au centre de la galaxie , deux trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre..
Bibliographie HAL tel-00920959. Amaro Seoane, « Trous noirs binaires », Collège de France, . Suzy Collin-Zahn, « Les trous noirs supermassifs dans l'univers », commission cosmologie de la SAF, .
Notes et références Notes
Références
Annexes Articles connexes Observation et détection des trous noirs Formation des trous noirs Historique des trous noirs Trou noir Trou noir primordial
Liens externes « Trous noirs supermassifs : la grande évasion », La Science, CQFD, France Culture .
Astronomy Picture Of the Day (APOD) (Adaptation/traduction française). traduction/adaptation française) (traduction/adaptation française) (traduction/adaptation française)
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