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Trou noir supermassif (7864 views - Astronomie & espace)

Un trou noir supermassif (en abrégé TNSM,,) est un trou noir dont la masse est de l'ordre d'un million de masses solaires ou plus. Plusieurs types de trous noirs existent : les trous noirs primordiaux, les trous noirs stellaires, les trous noirs intermédiaires et les trous noirs supermassifs. Ces derniers sont les plus massifs et leur masse peut atteindre jusqu'à 21 milliards de masses solaires (celui de la galaxie NGC 4889). Les trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies massives et il est généralement accepté dans la communauté scientifique que chaque grosse galaxie arbore de tels objets. Le trou noir supermassif au centre de notre galaxie, la Voie Lactée, correspond à la source Sagittarius A*.
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Trou noir supermassif

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Trou noir supermassif

Licensed under Creative Commons Attribution 3.0 (The Event Horizon Telescope Collaboration).

Pour les articles homonymes, voir Trou noir (homonymie) et TNSM.

Un trou noir supermassif (en abrégé TNSM[1],[2],[3])[4] est un trou noir dont la masse est de l'ordre d'un million de masses solaires ou plus. Plusieurs types de trous noirs existent : les trous noirs primordiaux, les trous noirs stellaires, les trous noirs intermédiaires et les trous noirs supermassifs. Ces derniers sont les plus massifs et leur masse peut atteindre jusqu'à 21 milliards de masses solaires (celui de la galaxie NGC 4889). Les trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies massives et il est généralement accepté dans la communauté scientifique que chaque grosse galaxie arbore de tels objets. Le trou noir supermassif au centre de notre galaxie, la Voie Lactée, correspond à la source Sagittarius A*.

Trous noirs supermassifs au centre des galaxies

Aujourd’hui, de nombreuses observations montrent qu’à peu près toutes les grosses galaxies possèdent un trou noir supermassif en leur centre[5]. C’est par exemple le cas de notre propre galaxie, la Voie lactée. Les observations les plus significatives de la présence d’un tel trou noir dans notre galaxie sont celles du mouvement orbital des étoiles les plus proches du centre galactique, dans la région appelée Sagittarius A*. Le suivi des trajectoires a permis de mesurer directement la masse du trou noir central : 4,2 ± 0,2 millions de masses solaires[6],[7]. En 2002, des astronomes ont suivi l’étoile S2 dans Sagittarius A*, et ont pu montrer qu’elle s’approchait jusqu’à une distance aussi proche que 17 heures-lumière du trou noir central[8],[9],[10].

Observations

En juin 2016, 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 la banlieue du trou noir supermassif distant de 25 000 années-lumière 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[11].

L'Event Horizon Telescope publie les premières images d'un trou noir, celui (supermassif) situé au centre de M87, le 10 avril 2019[12],[13].

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, plus sa densité moyenne chute, même si sa masse croît sans limite : la masse volumique d'un trou noir de 108 masses solaires est comparable à celle de l'eau[14]. Pour se représenter un tel trou noir, on peut imaginer une boule d'eau de 400 millions de kilomètres de rayon, s'étendant donc du Soleil jusqu'à la ceinture d'astéroïdes. Une telle sphère, 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.

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.

Formation

La formation des trous noirs supermassifs est encore fortement débattue puisqu’elle se fait certainement sur de grandes échelles de temps, à comparer à la formation d’un trou noir stellaire lors de l’explosion d’une supernova, produite par une étoile massive, comme une étoile Wolf-Rayet.

L’hypothèse la plus simple de la formation des trous noirs supermassifs est évidemment de commencer par un trou noir stellaire qui ensuite accrétera de la matière sur des milliards d’années. Cette hypothèse a cependant de nombreux défauts, parmi lesquels la nécessité d’une très grande densité d’étoiles pour nourrir continuellement le trou noir. Mais surtout, des observations 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[réf. nécessaire]. Ces trous noirs n’ont ainsi pas eu le temps de se former par simple accrétion d’étoiles. Il est possible que la formation de tels trous noirs ait été très rapide, dès le début de la vie de l’univers[15],[16].

Le satellite Chandra a également permis d’observer au centre de la galaxie NGC 6240 deux trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre.

Exemples

À 26 000 années-lumière de la Terre, la masse du trou noir du centre de la Voie lactée est de 4,2 millions de fois celle du Soleil[17] et son diamètre, 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 40 milliards de fois la masse du Soleil, tels que :



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