Les trous noirs sont parmi les phénomènes les plus fascinants de l'espace extra-atmosphérique, et nous en apprenons plus à leur sujet tout le temps. Juste la semaine dernière, un groupe d'astronomes a publié un article documentant une rare collision visible de trous noirs, qui a produit un éclair de lumière qui a permis aux scientifiques de voir l'événement depuis la Terre.

De Star Trek à Doctor Who en passant par The Orville, la science-fiction incorpore souvent des trous noirs dans les intrigues, en grande partie parce qu'il y a encore tellement de choses que nous ne savons pas. Mais Alexander Vilenkin n'est pas du tout découragé par ce sujet vaste et complexe. Le professeur Leonard et Jane Holmes Bernstein en sciences de l'évolution au département de physique et d'astronomie de Tufts, il a étudié la cosmologie théorique, y compris l'énergie noire, cordes cosmiques, et le multivers, depuis des décennies. Si quelqu'un peut aider à percer le mystère des trous noirs, c'est lui.

Vilenkin a récemment donné à Tufts Now un cours accéléré pour rendre ces géants cosmiques un peu plus accessibles. Voici trois faits sur les trous noirs à comprendre.

Les trous noirs peuvent être incroyablement énormes

Les trous noirs sont mesurés par leur taille et leur masse, ou la quantité de matière qu'ils ont. Un trou noir de taille moyenne peut avoir une masse vingt fois supérieure à celle du Soleil. Cependant, l'attraction de la gravité à l'intérieur d'un trou noir est si forte qu'elle condense toute cette masse en une boule d'un diamètre d'environ vingt milles seulement.

Les trous noirs supermassifs sont les plus gros trous noirs. Vilenkin a déclaré que ces mastodontes peuvent avoir une masse d'un milliard de soleils avec un diamètre d'environ la taille de notre système solaire.

Chaque grande galaxie, dont la Voie lactée, a au moins un trou noir supermassif en son centre. "En ce qui concerne les trous noirs supermassifs, le nôtre est assez petit. Il ne s'agit que de quelques millions de masses solaires, " il a dit.

Le plus petit trou noir enregistré est pratiquement petit :c'est à peine quatre fois la masse de notre soleil.

Les trous noirs peuvent fusionner

Les trous noirs proches les uns des autres ont tendance à se rapprocher, dit Vilenkin. "Ce qui se passe, c'est que ces trous noirs s'attachent les uns aux autres, gravitationnellement, et commencez à tourner les uns autour des autres. Ils forment un système binaire, et comme ils tournent, ils perdront progressivement leur énergie par rayonnement gravitationnel. Ils se rapprochent de plus en plus et tournent l'un autour de l'autre de plus en plus vite. Finalement, ils fusionnent, " il a dit.

Jusque là, des collisions de trous noirs supermassifs n'ont pas été observées, mais les astronomes ont observé des collisions de trous noirs beaucoup plus petits, dit Vilenkin.

Nous ne pouvons pas voir une telle collision à travers un télescope, quelle que soit sa puissance, car aucune lumière ne peut s'échapper d'un trou noir. Cependant, utilisant des instruments très sensibles - et très gros - appelés détecteurs d'ondes gravitationnelles, les scientifiques peuvent détecter et mesurer les ondes gravitationnelles émises par les trous noirs. Les vagues sont comme des ondulations dans l'espace-temps (plus de détails dans un instant), et les données recueillies racontent l'histoire de ce qui se passe à des millions ou des milliards d'années-lumière.

"Les ondes gravitationnelles émises alors que les trous noirs sont juste en orbite dans leurs systèmes binaires sont généralement trop faibles pour être détectées. Mais cette dernière dose de rayonnement lorsque les trous noirs sont sur le point de fusionner, et quand ils finissent par fusionner pour former un plus grand trou noir, a été observé à plusieurs reprises, " il a dit.

Les sursauts de rayonnement gravitationnel durent très peu de temps, mais ils viennent dans un certain modèle. Lorsque les astronomes voient ce modèle, Vilenkin a dit, ils peuvent l'identifier comme une collision de trous noirs et déterminer leurs masses et à quelle distance ils se trouvent. En septembre 2019, La NASA a annoncé que des astronomes avaient repéré trois trous noirs supermassifs sur une trajectoire de collision dans un système à environ un milliard d'années-lumière de la Terre.

Les trous noirs ont un point de non-retour

Les trous noirs ont ce qu'on appelle un horizon des événements. Considérez cela comme la surface du trou noir. Rien ne peut s'échapper de sous la surface, y compris la lumière. Alors que se passe-t-il quand, par exemple, un vaisseau spatial, traverse l'horizon des événements?

"Disons que le vaisseau spatial nous envoie des impulsions lumineuses à l'approche du trou noir. Alors que le vaisseau spatial s'approche de l'horizon des événements, les impulsions deviendront de plus en plus faibles, et les intervalles entre eux deviennent de plus en plus longs, " dit Vilenkin. " Alors que le vaisseau spatial se rapproche de l'horizon des événements, nous le voyons comme s'il était gelé. Nous ne verrons jamais le vaisseau spatial passer sous l'horizon des événements parce que la lumière ne peut pas s'échapper de là-dessous."

Qu'en est-il des voyageurs dans le vaisseau spatial? Vilenkin a déclaré que le vaisseau spatial approchait de l'horizon des événements, ils ne remarqueraient rien de particulier, et ils nous verraient encore. Cependant, une fois qu'ils ont franchi l'horizon des événements, c'est un point de non-retour. Vous ne pouvez pas faire demi-tour et sortir. Vous ne pouvez vous déplacer que vers le centre du trou noir, il a dit.

La gravité deviendra de plus en plus forte, et puisque la gravité étire les choses dans une direction, le vaisseau spatial sera spaghettifié. "Finalement, ce vaisseau spatial atteindra le point central, qui s'appelle la singularité. La singularité est, mathématiquement, où la gravité devient infiniment forte, ainsi la courbure de l'espace-temps devient infinie. On ne peut pas vraiment dire ce qui se passe exactement dans la singularité, mais le vaisseau spatial et tout à l'intérieur seront détruits bien avant que le vaisseau n'atteigne la singularité, " dit Vilenkin.