La taille des trous noirs : jusqu’où peuvent-ils grandir ?

Comment un trou noir peut-il grandir ?

Les mots « trou noir » évoquent souvent des images de créatures cosmiques gigantesques dévorant tout sur leur passage. En effet, c’est en partie vrai. Les trous noirs sont tellement « massifs » qu’ils exercent une force gravitationnelle si puissante qu’aucune lumière ne peut s’en échapper. Même le plus petit d’entre eux, comme V723 Monoceros, présente une masse trois fois supérieure à celle de notre soleil. Il est si massif qu’il déforme l’étoile géante rouge qui l’entoure, tout comme notre lune affecte les marées. Bien que l’on pourrait s’attendre à ce que son diamètre soit immense, il ne dépasse pas 17,2 kilomètres, soit environ la taille de Paris.

Cette asymétrie entre masse et taille est ce qui rend les trous noirs si uniques. Par exemple, le trou noir supermassif Sagittarius A, situé au cœur de notre galaxie, possède un rayon 17 fois celui du soleil. S’il se trouvait à la place de notre étoile, il pourrait engloutir Mercure. Sa masse, quant à elle, est 4 millions de fois plus importante que celle du soleil, ce qui est relativement modeste pour les trous noirs supermassifs.

Tout objet entrant en contact avec un trou noir contribue à son agrandissement, y compris un autre trou noir, comme l’a montré la collision observée par la NASA en novembre 2021. Mais alors, jusqu’où un trou noir peut-il croître ? La réponse est simple : presque sans limite.

Des supermassifs aux ultramassifs

Pour la plupart des objets cosmiques, comme les étoiles, il existe une limite à leur taille, déterminée par des conditions complexes. Une étoile reste stable tant qu’elle maintient un équilibre entre la pression de radiation vers l’extérieur et la gravité vers l’intérieur. En revanche, il n’existe pas de telles limites pour les trous noirs. Le trou noir supermassif situé au centre de la galaxie d’Andromède, par exemple, a un diamètre équivalent à la distance parcourue par Jupiter autour du soleil, soit 516 millions de miles, et une masse de 140 millions de fois celle du soleil. En comparaison, le trou noir au centre de Messier 87 mesure 24 milliards de miles, avec une masse de 6,5 milliards de soleils. Le plus grand trou noir découvert, Ton 618, dépasse 66 milliards de fois la masse du soleil.

Ton 618 est tellement colossal qu’il a dépassé la catégorie de « supermassif » pour devenir un « ultramassif ». Mais les trous noirs peuvent-ils devenir encore plus grands ? Oui, ils le peuvent.

Des ultramassifs aux SLABs

Bien que nous n’ayons pas encore observé de trous noirs plus grands que Ton 618, cela ne signifie pas qu’ils n’existent pas. Tout ce que nous pouvons observer, soit 4 % de l’ensemble de l’univers, renferme probablement 2 trillions de galaxies. Que de mystères demeurent dans cet immense espace ! Des chercheurs, comme Florian Kühnel, théoricien en cosmologie, qualifient ces objets d’SLABs, abréviation de « stupendously large black holes ». Ces trous noirs pourraient atteindre une masse de 100 milliards de soleils.

La taille d’un trou noir est limitée uniquement par les conditions de sa création. Cependant, nous ne comprenons pas encore comment les trous noirs supermassifs ont pu atteindre de telles dimensions, ni même les ultramassifs. Les trous noirs stellaires, qui se créent suite à des supernovae, grandissent en absorbant des étoiles ou en entrant en collision avec d’autres objets. Curieusement, étant donné l’âge de l’univers — qui s’élève à 13,8 milliards d’années —, il semble qu’il n’y ait pas eu assez de temps pour que ces trous massifs se forment.

Plus ils sont grands, plus ils vivent longtemps

Peu importe leur taille, les trous noirs peuvent également diminuer en perdant de la radiation Hawking. Toutefois, cette perte est largement inférieure au taux de croissance des trous noirs. Par exemple, un petit trou noir de 50 fois la masse du soleil prendrait environ 10⁶⁸ années pour se dissiper, une durée incroyablement longue. Ton 618, quant à lui, ne disparaîtra pas de sitôt. Il est fort probable que les trous noirs soient les dernières structures restantes de notre univers, accompagnés d’une faible radiation de fond.

Au fil du temps, ces géants peuvent continuer à croître en fusionnant avec d’autres objets stellaires. Cependant, avec l’expansion de l’univers, ils finiront par ne plus pouvoir interagir. De nouveaux trous noirs pourront se former seulement grâce à des supernovae, tandis que l’expansion cosmique pourrait même étirer des trous noirs existants, les rendant encore plus grands.