Un trou noir est un objet physique prévu par la théorie de la relativité générale d'Einstein [2]. Un trou noir est tellement massif que son champ gravitationnel empêche toute matière et tout rayonnement électromagnétique de s'échapper. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle ils sont noirs.
L'observation directe d'un trou noir est donc impossible. Cependant, ils ont des effets notables sur leur environnement. Par exemple, ils modifient le parcours de la lumière qui passe dans leur voisinnage : dans la théorie de la relativité générale, tout objet massique courbe l'espace-temps et infléchit le trajet de la lumière. Dans le cas d'un trou noir, on parle de "lentille gravitationnelle" : un trou noir a le même effet qu'une lentille convergente en optique.
La présence d'un trou noir est déduite du rayonnement émis par son disque d'accrétion, le disque de matière qu'il attire autour de lui. En tombant à l'intérieur du trou noir, la matière s'échauffe et émet de grandes quantités de rayonnements. Si les effets observés ne peuvent être expliqués que par un objet extrêmement dense, alors on considère qu'un trou noir a été découvert.
Une autre effet de la présence d'un trou noir est l'effet Doppler : toute lumière émise à proximité du trou noir et s'en éloignant subit un décalage vers le rouge. C'est l'effet Doppler, analogue à l'effet que l'on peut percevoir pour le son. Quand une source sonore, une sirène de pompiers par exemple, s'approche, le son est plus aigu : il se produit un décalage vers le "bleu". Si elle s'éloigne, le son est plus grave : il se produit un décalage vers le "rouge".
La zone qui délimite la région d’où lumière et matière ne peuvent s’échapper, est appelée "horizon des événements". On parle aussi de "surface" du trou noir, même si cette zone de l'espace n'aurait rien de particulier pour quelqu'un qui traverserait l'horizon. Sa seule caractéristique est que tout objet ou onde traversant l'horizon ne peut en ressortir.
Pour trouver un rayon caractéristique de l'horizon, calculons la vitesse de libération Vlib d'un objet de masse m en orbite ou à la surface d'un objet de masse M. A cette vitesse, son énergie cinétique de libération doit être égale à son énergie potentielle de gravitation :
mVlib²/2 = mMG/r
Le rayon de Schwartzchild RS est défini comme le rayon auquel cette vitesse de libération devient égale à la vitesse de la lumière (Vlib=c) :
mc²/2 = mMG/RS
On en déduit :
RS = 2MG/c²